基于BGK方法的液滴静态和动态特性

采用BGK方法对液滴在疏水表面上的静态和动态特性进行了研究,通过数值模拟发现对于带有微结构的疏水表面,在保持非浸润状态的基础上,固体面积分数越小(即微结构间距越大),表观接触角越大,表面越疏水,但是较小的固体面积分数会使液滴非浸润状态变得不稳定.当表面具有微-纳二级结构时,不仅会增加表面的疏水性,使液滴具有较大的表观接触角,而且会使液滴的Cassie状态更稳定.当液滴下落到超疏水表面时,数值计算发现液滴将经过多次反弹、变形,最终静止在超疏水表面上,这与实验现象吻合.当相同尺寸的液滴从同一高度下落到具有相同表面自由能的超疏水表面时,与平超疏水表面相比,具有微/纳结构的超疏水表面将增加液滴的反弹高度;对于平超疏水表面,表面自由能越小,液滴的反弹高度越大,因此液滴的反弹高度依赖于液滴在表面的表观接触角.     

超快激光制备超疏水超亲水表面及超疏水表面机械耐久性

近年来,受大自然的启发,具有特殊润湿性的仿生结构表面因其在日常生活和工业生产领域的广阔应用前景引起了研究者的广泛关注.同时,超快激光的快速发展为材料表面结构的加工提供了新的强大工具,在超疏水或超亲水表面结构的制备方面取得了一系列突出的成果.但迄今为止,已经商业化的超疏水表面仍然非常有限,其中关键的问题是超疏水表面的机械耐久性问题.本文基于超快激光加工方法,总结了仿生微纳结构制备和应用方面的最新研究进展,重点介绍了几种具有特殊润湿性的疏水和亲水表面结构,并对超疏水表面的机械耐久性问题及其测试方法进行了阐述和总结,最后讨论了该领域存在的一些问题及未来的发展方向.     

仿生水稻叶表面制备及其润湿性研究

自然界中,水稻叶表面具有对水滴的各向异性滚动特性.正是由于这种优良的特性在功能表面、微流体等领域广泛的应用前景,水稻叶仿生研究逐渐成为研究热点.虽然最近有研究者成功地仿生了水稻叶的微结构和功能,但是技术手段比较复杂,也不能进行大面积制备.采用一种二次转写的方法来制备仿生水稻叶表面.所制备的表面能精确复制天然水稻叶表面的微纳结构,并能表现出良好的静态超疏水性.在动态疏水性方面,仿水稻叶表面也体现了非常明显的各项异性滚动特性.系统的测量表明平行叶脉方向和垂直叶脉方向的滚动角分别为25°和40°.这一技术快捷、可靠、无需昂贵的设备和复杂的工艺,实现了水稻叶大面积快速制备,在仿生功能表面方面有着广泛的应用前景.     

微结构超疏水表面液滴的运动性质

超疏水表面一般是指接触角大于150°, 运动角(或滚动角)小于5°的固体表面, 其在基础研究和现实应用方面存在巨大价值. 通过光刻技术和自组装膜技术制备了最大接触角为172°, 最小运动角为2°的超疏水表面. 研究了Cassie状态液滴的运动角与微结构表面参数之间的关系, 发现运动角与微结构高度无关, 但随着微结构间距的增加而减小, 随着微结构边长的增加而增加. 通过比较Cassie状态、混合状态液滴运动角的大小, 认为液滴运动角的大小由后接触线的状态决定, 而与最外缘三相接触线内的固液接触状态、前接触线状态无关.     

双光束激光干涉制备布基石墨烯仿生表面

提出一种利用双光束激光干涉系统制备多级石墨烯仿生表面的方法.利用Nd:YAG激光的双光束干涉系统在不同织物基底上对石墨烯氧化物薄膜进行干涉烧蚀,激光脱氧还原的同时产生石墨烯微纳结构.基底织物表面粗糙结构增大了石墨烯仿生薄膜表面粗糙度.布基的粗糙基底、激光烧蚀石墨烯微纳结构的双重作用形成多级结构的石墨烯仿生表面.这种石墨烯仿生表面不仅具有超疏水润湿性,还由于石墨烯微纳结构周期性而展现一定彩虹结构色.     

倾斜超疏水管外滴状冷凝液滴特性的可视化

含不凝气的混合蒸汽冷凝广泛存在于化工、石油、电力和海水淡化等领域.在空气环境下超疏水表面具有较大的接触角,有可能实现冷凝强化传热的目的.但在纯蒸汽冷凝环境中,液滴会完全润湿超疏水表面的微纳结构,使表面的超疏水性"失效".而在含不凝气的混合蒸汽冷凝过程中,若不凝气充满超疏水表面的微纳结构,液滴呈Cassie或过渡态润湿模式,保持或部分保持表面的超疏水特性.对于倾斜表面,冷凝液滴的脱落直径和冲刷周期都会发生变化,进而影响冷凝传热.因此,深入认识混合蒸汽在不同倾斜角的超疏水竖管表面上的冷凝特性,分析液滴的运动特性,对探究冷凝机理和研发先进强化传热技术有重要意义.本文利用氧化刻蚀-自组装的方法制备了紫铜管超疏水表面,系统地研究了不同倾斜角度时混合蒸汽冷凝过程中液滴的接触角滞后、临界脱落直径以及冲刷周期,并与纯蒸汽、疏水表面的情况进行了对比.结果表明,在铜管顶部(沿铜管圆周方向),超疏水表面冷凝时接触角滞后小于疏水表面,而在铜管中部和底部超疏水表面的接触角滞后则较大;在超疏水表面条件下,液滴的脱落直径随着倾斜角度的增加而增大;冷凝液对超疏水表面的冲刷周期均大于疏水表面,且随着倾斜角增加,冲刷周期略有减小.     

激光加工制备仿芦苇叶结构的超疏水表面

仿芦苇叶结构的超疏水表面在抗结冰、自清洁等领域有着重要的应用.但是,目前仍缺乏一种简单制备仿芦苇叶微纳米结构的方法.本文采用激光烧蚀手段制备基于聚二甲基硅氧烷的具有仿芦苇叶结构超疏水表面.激光烧蚀处理具有微光栅结构的聚二甲基硅氧烷,高能量激光作用时可以烧蚀出次级微纳结构,提高表面粗糙度,其浸润性各向异性明显,沿着垂直方向测量的接触角(～155°)比平行方向测量的接触角(～150°)大,达到超疏水,且沿着垂直方向测量的滚动角(～3°)比平行方向测量的接触角(～12°)小.本方法为激光制备仿生结构超疏水表面提供了新思路.     

喷砂-电刷镀制备疏水耐腐蚀复合结构

采用喷砂-电刷镀相结合的方法,在碳钢表面制备出具有疏水耐腐蚀性能的微-纳复合结构.在最佳工艺参数下,获得接触角达到149.3°±2.5°的疏水表面.对喷砂-电刷镀相结合制备试样表面形貌、接触角以及耐腐蚀性进行表征.结果表明:喷砂与电刷镀结合工艺构筑的表面复合结构具有优异的疏水特性和良好的耐腐蚀性,且试样表面的平均腐蚀电流密度下降1~2个数量级,腐蚀电位也均有所提高.可见,通过在碳钢表面设计喷砂-电刷镀结合工艺构筑微-纳复合结构可以获得优异疏水耐腐蚀特性.     

仿荷叶微凹凸表面的疏水机理与判据

根据液滴在有限液固界面上接触角恒增大原理,提出仿荷叶微凹凸表面提高疏水性是众多小尺寸有限液固界面所集成的结果.建立了液滴在类荷叶结构表面的稳定性数学方程,推导出微凹凸表面空隙的理论临界半径与固体、液体性质之间的关系,阐述了实现疏水性的3个条件.计算结果表明,当微凹凸表面空隙半径小于理论临界半径rc时,液滴在固体表面均可呈现接触角大于90°的稳定状态,而液固界面面积的最小化以及低的固体表面能是实现疏水性的重要因素.提出用有效黏附功W′a作为衡量固体表面疏水能力的判据.     

MgSO_4微液滴表面和内部结构的微区拉曼研究

利用疏水的聚四氟乙烯为基底,在其表面得到球形的硫酸镁液滴.利用微区拉曼技术,实现了在硫酸镁液滴表面和球心两次聚焦,由此获得了来自表面和内部组成不同的拉曼信号,初步认定MgSO4液滴形成的胶态结构为具有一定厚度的膜状结构.这种膜状结构覆盖在液滴表面,阻碍液滴内部水分蒸发,导致MgSO4液滴表面和内部的结构差异.     

织构化表面轮廓与温度对液滴状态控制的研究

目前,织构化表面与液体流动行为间相互关系已成为摩擦减阻、微反应器等交叉研究领域热点,如何预测并主动控制液滴运动行为是设计与构建低摩擦表面与高效微反应器的首要问题.采用光刻法制备了织构化表面,并以动态接触角法表征了热织构化表面上单相态液滴的界面润湿性与表面温度之间关系,探索了织构化表面轮廓与温度对液滴润湿状态的控制方式....     

层级仿生微阵列的制备及黏附性能

采用电火花穿孔技术,制备了直径0.5mm、倾斜度为75°的大孔铜基阴型模板,利用氢硅烷型硅橡胶浇注该模板,得到大直径倾斜阵列,作为一级结构刚毛阵列.接着,采用等离子刻蚀技术制备了3种不同结构(Φ=15,10,5μm)的单晶硅基阴型模板,真空下氢硅烷型硅橡胶浇注,得到3种精细微阵列,作为二级结构刚毛阵列.最后,利用烯硅烷型硅橡胶进行硅氢化反应将二级微阵列键合在一级阵列的支杆末端,得到3种层级刚毛阵列.利用高灵敏力传感器测试了3种层级刚毛阵列的法向、切向黏附性能.结果表明:3种层级刚毛阵列的切向滑动黏附力均随滑移距离先增后减,呈现了各向异性的黏附特性;不同二级结构刚毛阵列的切向、法向黏附强度与其二级阵列的直径、密度密切相关.     

超疏水表面微液滴的电致振动

微流体控制技术在生物、化学、微机械等领域具有广阔的应用前景.微液滴作为微流体的一种表现形式,其运动形态与控制技术已经成为最热门的研究领域之一.本文以铜基十四酸铜表面(具有二级粗糙结构的超疏水表面)为基底,首先研究了微液滴在直流电场下的电湿润现象,其次研究了交流电场下微液滴的电致振动特性,然后讨论并分析了外加电场频率、电压幅值、液滴体积等因素对液滴振动特性的影响.     

MgSO4微液滴表面和内部结构的微区拉曼研究

利用疏水的聚四氟乙烯为基底, 在其表面得到球形的硫酸镁液滴. 利用微区拉曼技术, 实现了在硫酸镁液滴表面和球心两次聚焦, 由此获得了来自表面和内部组成不同的拉曼信号, 初步认定MgSO₄液滴形成的胶态结构为具有一定厚度的膜状结构. 这种膜状结构覆盖在液滴表面, 阻碍液滴内部水分蒸发, 导致MgSO₄液滴表面和内部的结构差异.     

3种新形纳米氧化钛阵列体系的模板组装与表征

采用二次阳极氧化工艺制备了高度有序的多孔氧化铝模板, 通过模板法与溶胶-电泳沉积和溶胶-凝胶法结合的模板组装技术, 合成了3种具有高比表面积的纳米TiO₂阵列体系. 采用溶胶-凝胶模板法合成了直径50 nm, 长20 μm, 间距100 nm的棒状TiO₂纳米线阵列体系; 并通过控制模板孔深, 合成了TiO₂纳米点周期性调制薄膜, 薄膜表面的纳米点直径75 nm, 点间距100 nm, 薄膜背面为致密结构; 采用溶胶-电泳模板合成方法制备了形似糖葫芦的TiO₂纳米线阵列体系, 纳米线直径75 nm, 长为20 μm, 每根线都具有周期性的凹凸结构, 形似糖葫芦. 3种纳米阵列体系具有更大的比表面积, 可以预见这种表面调制的阵列体系, 将表现出不同于一般意义的薄膜及纳米点、纳米线的新物性和新效应.     

蚊子腿表面多级微纳结构的超疏水特性

蚊子是一种能够在水面自由起落、行走、产卵而从不溺水的两栖昆虫.报道了蚊子腿表面的超疏水机理.单根蚊子后腿在水面上的静态承载力平均可达600μN,是整个蚊子体重的20多倍,而利用柔软细钢丝做成的外观形状、结构和尺寸与蚊子腿几乎一致的"钢丝腿",其水面承载力仅为85μN.扫描电子显微镜观察发现,蚊子腿表面被大量有序排列的、瓦片状的、尺寸在十微米级的空心鳞片覆盖,鳞片表面整齐排列了亚微米级的纵肋和纳米级的横筋结构蚊子腿部表面具有很强的疏水性,静态接触角约为153°.理论分析表明,蚊子腿表面上的微纳多级结构是其具有超疏水性和高可靠性表面承载力的根本原因.     

带有超疏水点阵的微细铜丝上的核态沸腾

表面亲疏水特性对沸腾有着重要影响.本文在直径为150μm的铜丝上修饰了宽度为100μm、间距为3 mm的超疏水点阵.借助微细丝较好的观测特性,对疏水点阵上的沸腾过程,尤其是气泡脱离及相互合并过程进行了细致考察.研究了单个疏水点大小对起泡的影响,并对带有疏水点阵的铜丝上的沸腾换热模型进行了初步考察.超疏水点阵可以显著提高核态沸腾换热效率,初步认为其主要原因在于点阵使得起泡更加容易,且沿加热丝更加均匀,但最优的核化点密度及其与铜丝的固体热性能的关系还有待进一步研究.     

静电纺丝制备微纳纤维的形貌表征与影响机理分析

静电纺丝作为一种广泛采用的纳米纤维制备技术,影响其纤维形貌的主要因素包括材料参数、工艺参数和环境因素等.采用聚氧化乙烯(PEO)溶液,通过研究溶液属性(分子量、质量分数、电导率)和工艺参数(工艺电压、电极间距、喷嘴内径等)对纤维形貌的影响,得出相关参数对纤维直径和形貌的作用规律.研究结果表明:当PEO质量分数由4%到8%时,图案形貌经历了球状颗粒-珠丝共存-纤维的演变过程;分子量由40万到60万时,纤维由珠丝结构变成均匀光滑的丝,进一步增大分子量,纤维开始变得粗细不均并出现锯齿结构;当电导率由151到355 s/cm时,纤维直径变粗5倍;工艺电压(25~30 kV)增加,纤维直径先增加后减小,梭形颗粒先增多后减少;电极间距(15~25 cm)的增加使PEO纤维的直径减小,梭形颗粒先增加后减少;喷嘴内径由160 m增大到600 m时,纤维先是变得均匀光滑,后出现黏并结构.这些研究结果能够更好地指导静电纺丝技术在生物医用、纳米装置及纳米制造等领域的应用.     

飞秒激光仿生制备极端浸润性表面

极端浸润性表面由于具有许多奇异的特性和重要的应用,近年来备受国际学术界和工业界的广泛关注.与传统微制造技术相比,飞秒激光微纳加工技术在设计制备复杂精细表面微纳结构方面具有非常突出的优势.飞秒激光近年来也被成功应用于调控固体材料表面的浸润性.本文系统总结了飞秒激光在制备不同极端浸润性表面方面的研究进展,包括超疏水表面、水下超疏油表面、水下超疏气表面、润滑液灌注滑动表面、可调粘滞性表面以及各向异性表面.本文从仿生制备的角度,阐述了各种超浸润表面飞秒激光构建的方法和思路,以及不同浸润性之间的关系,介绍了飞秒激光诱导极端浸润性表面的重要应用,探讨了该领域目前所面临的主要挑战,并对未来的发展进行了展望.     

电场抑制纳米液滴的Leidenfrost现象

Leidenfrost现象是指液滴与过热表面接触时,快速汽化的蒸汽层将液滴与表面隔离,使液滴在表面悬浮的现象.为揭示表面润湿性对纳米液滴Leidenfrost现象的影响机制并实现纳米液滴的强化换热,本文采用分子动力学模拟研究了纳米液滴在不同润湿性表面上的Leidenfrost现象.结果表明,纳米液滴的Leidenfrost温度与表面润湿性密切相关,即表面越亲水, Leidenfrost温度越高.本文进一步研究了电场作用下纳米液滴在不同润湿性表面上的相变换热过程,发现施加电场可有效抑制Leidenfrost现象,电场增加液滴与表面的相互作用力是其抑制Leidenfrost现象的机理.