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.     

黄斑大蚊的喜湿性及其翅膀、腿表面的超疏水性

黄斑大蚊的翅膀、腿表面有很好的超疏水性, 水滴在其表面的静态接触角分别为150°,155°, 滚动角接近5°, 通过扫描电子显微镜观察发现, 在黄斑大蚊的翅膀、腿表面分布有大量呈规则排列的微纳米级复合凹槽、乳突, 复合结构及其表面的低表面能物质的协同作用使其表面具有良好的超疏水性, 这一特性使黄斑大蚊能在潮湿的环境中自由生存. 本文用 Cassie 理论对这种超疏水性进行了理论分析.     

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.     

压力作用下Cassie状态的热力学稳定性

维持Cassie状态在压力作用下的稳定性在超疏水材料的实际应用中极其重要.通过将超疏水界面中的液-气界面部分规范为具有自适应性的曲面,建立了柱状阵列微结构的超疏水界面模型,研究了压力作用下Cassie状态的热力学稳定性.结果表明,由于微凸起结构之间悬挂液面能量的不同,Cassie状态有基态、低能态和高能态3种形式;压力驱动Cassie状态由基态向高能态转变过程中界面能量的升高会形成界面能量势垒,这一能量势垒决定了Cassie状态的热力学稳定性并阻碍Cassie状态向过渡态转变.界面能量势垒由前进接触角和界面中固-液接触面积分数决定,因此低表面能物质、分级结构、较低的固-液接触面积分数均可提高界面能量势垒,维持Cassie状态的稳定性.细化微结构尺寸能够降低Cassie状态的界面自由能,从而避免高能Cassie状态的出现和崩溃.     

羽毛状超疏水性银纳米涂层的制备与表征

以铜为基底制得羽毛状银纳米涂层, 该纳米涂层具有优异的超疏水性能, 水滴在其表面的接触角和滚动角分别为154°~156°和4°. 扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和接触角测量仪分别研究银纳米涂层的形貌、晶体构型及其超疏水性. 银纳米涂层的形貌及疏水性与 硝酸银的浓度及反应时间有关. 用Wenzel和Cassie理论对该涂层的超疏水性进行了理论分析.     

表面微细结构制备超疏水表面

超疏水是指固体表面上水的表观接触角超过150˚的一种特殊表面现象, 本文从热力学角度评述了导致超疏水状态的两种理论模型: Wenzel模型和Cassie模型, 讨论了表面微细结构对超疏水状态的影响以及Wenzel和Cassie两种状态之间的内在联系. Wenzel和Cassie是两种可以同时共存的超疏水状态, 在一定条件下可以实现从Cassie到Wenzel状态的不可逆转变, 而这两者在接触角滞后中表现出截然不同的性质. 概括和总结了通过设计表面微细结构来达到超疏水表面的制备策略, 并对超疏水表面在现代工程领域内的应用前景作了展望.     

线性低密度聚乙烯涂层修饰ZnO亚微米棒膜的疏水性研究

采用低温水热法制备出ZnO亚微米棒薄膜, 经线性低密度聚乙烯涂层修饰后显示出超疏水性, 静态接触角为151.2° ± 2.3°, 滚动角为4°. ZnO亚微米棒膜的微结构和低表面能材料线性低密度聚乙烯涂层修饰是其显示超疏水性的原因, 并用Cassie理论对膜的润湿性进行了分析.     

湿润转变对超疏水表面上撞击液滴结冰影响的研究进展及展望

表面超疏水性是液滴撞击固体表面反弹的基础,利用超疏水表面的液滴反弹特性可从源头上抑制撞击液滴结冰,但湿润转变的发生会使表面的超疏水性失效.本文重点关注湿润转变对超疏水表面上撞击液滴结冰的影响.首先,分别从湿润转变对表面上撞击液滴动力学行为的影响、湿润转变对撞击液滴结冰形式的影响和撞击液滴湿润转变遵循的能量路径及转变机理3个方面梳理当前研究现状.然后,在总结上述研究现状的基础上,对通过表面微结构拓扑设计,实现抑制Cassie-Wenzel不可逆湿润转变,促进Cassie-Wenzel-Cassie可逆湿润转变,以此强化超疏水表面的液滴反弹特性进而抑制撞击液滴结冰的新思路进行了展望.     

夜蛾翅膀表面疏水性能的多元耦合机理分析

利用体式显微镜、扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱仪和接触角测量仪等测量分析仪器, 对东北地区常见的10种夜蛾翅膀表面形态、超微结构、成分和表面润湿性能进行了定性定量研究. 研究表明: 夜蛾翅膀表面覆盖有履瓦状排列的鳞片, 不同种类蛾的鳞片形态不同, 鳞片表面相间分布有近似平行的纵肋与凹槽结构, 鳞片主要由蛋白质和几丁质组成, 有鳞片和无鳞片时蛾翅膀表面的静态接触角存在很大差异, 分别为144.8°~152.9°和90.0°~115.9°. 利用Cassie模型建立了夜蛾翅膀表面润湿方程, 并进行了蛾翅膀表面疏水性能的多元耦合机理分析, 认为蛾翅膀表面的润湿性能是由其表面材料、形态和结构三个耦元共同耦合作用的结果.     

划蝽后翅翅面的超疏水性

以生活在水中的昆虫划蝽为研究对象,发现在划蝽的腹部、背部及后翅面存在疏水、超疏水性,水滴在其后翅面的接触角达到159°,滚动角约为8°.结果显示,其腹部、背部及后翅面微纳米级阶层结构的存在是其形成疏水、超疏水性的关键因素,疏水、超疏水性能使其能在水中自由升降、正常呼吸或者当环境不利时飞离水面.用Cassie理论对其超疏水性机理进行了探讨与分析.     

基于腹色蜉复眼防水汽机理的仿生功能表面

研究了腹色蜉复眼表面的防水汽功能,利用扫描电子显微镜(SEM)及激光共聚焦显微镜(CLSM)表征了其表面结构,在此基础上借助Cassie模型解释了其防水汽机理.利用激光干涉光刻技术(LIL)及胶体刻蚀技术(CL)制备了人工腹色蜉复眼表面并进一步研究了其表面防水功能,同时讨论了其防水功能的影响因素及作用规律.结果表明腹色蜉复眼表面本征接触角越大,小眼上下半径比越小,防水功能越强.特征尺寸为350 nm的类腹色蜉复眼结构优化表面其静态水接触角为160°±5°,滚动角约2°,呈超疏水状态,具有优良的防水、自洁功能.该研究旨在应用于新型防水、防雾材料表面的研发.     

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.     

X52管线钢仿生超疏水表面的制备

采用喷砂毛化处理、化学刻蚀和氟化处理复合法在X52管线钢表面成功地制备了超疏水表面.十七氟癸基三乙氧基硅烷(HFTTMS)对其表面进行低能化修饰.研究了化学刻蚀液浓度、化学刻蚀时间对管线钢表面形貌及表面与水的润湿行为的影响.结果表明,在一定的盐酸浓度下,随着化学刻蚀时间的延长,管线钢表面与水的接触角增大;然而当化学刻蚀时间过长,管线钢表面与盐酸反应过久,表面微结构的复杂程度减小,接触角将减小.随盐酸浓度的升高,管线钢表面与盐酸反应变得剧烈,表面微观形貌变得复杂,分形维数增大.当盐酸浓度过高时,表面微细凸起结构又被腐蚀掉,导致表面复杂程度降低,分形维数下降,与水的接触角随之减小.试样在7 mol/L的盐酸中刻蚀1.5 h后,喷砂毛化管线钢表面能获得最佳的表面复合结构,经氟化处理后,与水接触角为156.4°,获得良好的超疏水性.     

X52管线钢仿生超疏水表面的制备简

采用喷砂毛化处理、化学刻蚀和氟化处理复合法在X52管线钢表面成功地制备了超疏水表面. 十七氟癸基三乙氧基硅烷（HFTTMS）对其表面进行低能化修饰. 研究了化学刻蚀液浓度、化学刻蚀时间对管线钢表面形貌及表面与水的润湿行为的影响. 结果表明,在一定的盐酸浓度下,随着化学刻蚀时间的延长,管线钢表面与水的接触角增大;然而当化学刻蚀时间过长,管线钢表面与盐酸反应过久,表面微结构的复杂程度减小,接触角将减小. 随盐酸浓度的升高,管线钢表面与盐酸反应变得剧烈,表面微观形貌变得复杂,分形维数增大. 当盐酸浓度过高时,表面微细凸起结构又被腐蚀掉,导致表面复杂程度降低,分形维数下降,与水的接触角随之减小. 试样在7 mol/L的盐酸中刻蚀1.5 h后,喷砂毛化管线钢表面能获得最佳的表面复合结构,经氟化处理后,与水接触角为156.4°,获得良好的超疏水性.     

飞秒激光诱导钛表面可控微纳结构用于水下气泡操纵

针对典型金属材料钛,利用自主搭建的飞秒激光振镜扫描加工系统,加工了具有特定形貌特征的多尺度微纳结构.在此基础上对多尺度微纳结构的可逆润湿性及水下气泡操纵特性进行了实验探究,并从微观界面化学的角度阐释了可逆润湿性的调谐机理.研究结果表明:在飞秒激光烧蚀挤压作用下,钛表面诱导的多尺度微纳结构对原始表面的润湿性具有放大效应,固液接触角减小,水下气泡接触角增大;在辅助加热条件下,固液接触角增大,水下气泡接触角同时减小,气泡在表面完全铺展;随后将超疏水表面置于紫外灯下曝光,多尺度微纳结构上的液体接触角又开始减小,并最终实现了超疏水到超亲水性以及水下超亲气到超疏气的可逆调谐.另外,液体接触角与水下气泡接触角的可逆调谐特性呈现相反的变化趋势,这与固液气三相接触线的移动机制密切相关.本文对实现钛表面微纳结构设计与调控,提高具有可逆润湿性的金属表面在水下气泡操纵与收集,以及污水处理等领域的应用都具有重要意义.     

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.     

低压蒸汽滴状冷凝中液滴脱落滞后效应

利用界面结构效应实现蒸汽滴状冷凝对能源动力系统的高效化和集成化具有至关重要的作用.深入认识液滴动态特性对传热性能的影响有利于探究低压蒸汽冷凝中传热控制机理和研发高效紧凑的传热强化技术.本文系统地研究了蒸汽滴状冷凝中液滴脱落特性,提出了低压蒸汽冷凝液滴脱落滞后效应.随着蒸汽压力降低,冷凝液滴黏度增加,引起自身脉动特性下降,接触线移动受阻,接触角滞后现象明显,导致脱落尺寸明显增加而脱落速度大大降低.与常压蒸汽冷凝中液滴的快速启动连续下落不同,低压蒸汽冷凝中液滴长至脱落尺寸后表现出了"阶跃式"下落的现象,即液滴脱落滞后效应.在液滴整个生命周期中,低过冷度时液滴生长速度控制着传热过程,而高过冷度时液滴脱落滞后延缓了表面更新,降低了有效换热面积,成为了控制传热过程的因素.通过液滴脱落效应解释了传热通量随过冷度非线性增加现象的内在机理,明晰了蒸汽冷凝传热控制机制,为低压蒸汽冷凝传热强化指明了方向.     

飞秒激光制备仿生疏水微柱阵列应用于液滴操控

仿生功能表面的制备是目前研究的热点,尤其是仿生疏水表面的制备.常用的制备方法包括等离子刻蚀、光刻等,制备过程较为复杂.本文基于飞秒激光微纳加工和模板转印技术,提出了一种制备疏水微柱阵列的简单策略,系统地研究了结构参数、表面化学修饰和润湿性之间的关系.研究发现,直径、间距和高度等结构参数对微柱阵列表面的润湿性影响较大.当微柱间距由400μm增加到600μm时,液滴滑动角从31°增加至76°.当微柱直径从100μm增加到300μm时,液滴滑动角也会相应地从40°增加到80°.微柱阵列的表面黏附性随着结构参数(直径、间距、高度)的改变而发生变化.基于这种特性,我们设计了一种具有不同间距的微柱阵列,用来实现液滴滑动行为的控制,同时还可以实现液滴微反应等应用.这种制备方式不仅操作简便,而且适用性广,在微流体芯片、生物医学和化学微反应等领域具有潜在的应用价值.     

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....     

微结构疏水表面振动液滴的动态特性

以聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料为基底,采用光刻技术制备了微方柱状疏水表面,研究了垂直振动作用下,液滴在疏水表面的Wenzel-Cassie状态转变特性.研究表明,在某一振动频率下,随着振幅逐渐增大,不同体积液滴均能实现Wenzel-Cassie状态转变;当施加的振动频率接近某一体积液滴固有频率时,由于该液滴与振动平面发生共振,液滴发生浸润状态转变所需能量最小;该频率下其他体积液滴虽也可以实现浸润状态转变,但由于所施加振动频率偏离其固有频率,液滴发生浸润转变所需能量并非最小;振动频率偏离其固有频率越远,所需能量越大.结合表面物理化学和振动力学对该现象进行了理论分析.