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.     

金刚石在C60薄膜表面的气相成核

金刚石薄膜是一种性能优异的功能薄膜,比颗粒状金刚石材料有着更为广泛的应用领域,尤其是在光学和微电子学方面,因此近年来受到极大的关注。然而,在气相沉积金刚石薄膜中,金刚石在光滑非金刚石衬底表面难以成核。为了提高金刚石在光滑衬底上的成核密度,一般需要破坏衬底表面,使之布满宏观缺陷,如划痕、蚀坑等以提供成核点,或在衬底表面预沉积有助于金刚石成核的过渡层如DLC,β-SiC等。因此,寻找增强金刚石在光滑非金刚石衬底上成核的有效方法一直是近年来气相沉积金刚石研究的重要内容。最近,Meilunas等人发现Fuller烯中的C_(60),C_(70)作为过渡层可以显著提高金刚石在光滑Si衬底表面的成核密度。由于Fuller烯是一种新型的光学和半导体材料,因此,研究Fuller烯表面气相生长金刚石薄膜不仅为增强光滑衬底表面上的成核提供了一种新方法,更为重要的是有可能为金刚石薄膜和Fuller烯提供新的应用领域。     

含有BaO析出相的YBCO超导薄膜

人们对YBa_2Cu_3O_(7-x)(YBCO)薄膜中第二相的行为进行了广泛的研究,结果表明:第二相的形成可以对YBCO薄膜的生长机制、超导电性能产生相当大的影响.扫描电镜揭示了第二相与超导薄膜表面形貌的关系:随着薄膜中Cu/Y和Ba/Y原子比减小,YBCO薄膜的表面粗糙度增大;而增加薄膜中的Cu含量,将导致薄膜表面形成细小的第二相CuO颗粒.最近,一些研究小组在脉冲激光沉积制备的YBCO薄膜中观察到了析出相Y_2O_3,CuO,Y_2CuO_5和     

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.     

水力机械空蚀中微颗粒的关键作用

100多年来,人们一直认为空化直接导致了空蚀的发生.但本研究发现,空化仅仅是导致空蚀的必要条件,而不是充分条件.旋转圆盘空蚀实验结果显示,微颗粒在空蚀过程中起到了不可或缺的作用,而且颗粒粒径对钢样表面蚀坑的形成有显著影响.钢样表面的破裂和变形表明,空蚀过程是一种力学作用的结果,通过数值分析进一步论证了这一机制.     

外围全氟取代的1, 3, 5-三苯乙烯基苯: 真空沉积膜的表面形貌与疏水性能

报道了全反式-1, 3, 5-三(2′, 3′, 4′, 5′, 6′-五氟苯乙烯基)-苯(TPFSB)的合成及其真空沉积膜的性能. 原子力显微镜(AFM)观测发现, 真空沉积在石英衬底上的TPFSB薄膜的表面形貌依赖于薄膜厚度, 厚度小于30 nm时, 薄膜呈现孤岛状生长模式; 当厚度大于30 nm时, 衬底表面大部分被覆盖, 表面形貌呈现微纳米镶嵌的等级结构. 当薄膜厚度从40 nm增大到100 nm, 衬底温度从30℃升高到70℃时, 这种等级结构保持不变, 表现出良好的形态稳定性. 在50 nm厚的薄膜表面, 10 mg水滴的接触角为149°, 证明薄膜具有优良的疏水性能.     

碳钢空蚀磨粒形态特征与空蚀阶段的关系

对3种不同含碳量的碳钢进行振动空蚀实验, 收集空蚀过程中产生的磨粒, 对磨粒形态特征进行量化表征和显微观察, 结合空蚀表面的XRD检测结果和显微图像进行分析, 发现表面材料沿滑移面变形或解理导致整个空蚀过程中的片状磨粒较多(超过45%), 条状磨粒一直较少(少于25%), 而颗粒状磨粒数量开始较少, 在空蚀加速阶段迅速增加, 到空蚀稳定期又略有减少. 磨粒的球形度值的变化与材料的空蚀阶段有较好的对应关系. 空蚀初生期和加速期的磨粒球形度值分别在0.3~0.4和0.5~0.7之间. 到空蚀稳定期, 球形度值略有下降但不低于0.5.     

厚度对超薄类金刚石薄膜结构的影响

采用真空阴极磁过滤电弧法(FCVA)沉积了不同厚度的类金刚石(DLC)薄膜, 用波长为514.5 nm的可见光拉曼光谱(Vis-Raman)和宽光谱变角度椭偏仪分析了薄膜的结构. 实验结果表明, 厚度影响DLC薄膜的结构. 当DLC薄膜厚度从2 nm增大到30 nm时, Raman图谱中的G峰位置(G-pos)向高波数方向漂移, 通过高斯拟合得出的D峰和G峰的强度比I_D/I_G减小, 消光系数(Ks)逐渐减小, 薄膜中的sp³键含量随厚度的增大而增大. 当薄膜厚度从30 nm增大到50 nm时, I_D/I_G增大, Ks逐渐增大, 薄膜中的sp³键含量减小.     

含氢类金刚石膜沉积过程的分子动力学模拟

含氢类金刚石膜(diamond-like carbon, DLC)的超低摩擦特性与其沉积制备过程密切相关. 采用分子动力学模拟的方法, 计算了以CH₃基团为沉积物, 在多种不同入射能下制备含氢DLC膜的动力学过程. 通过沉积原子数统计分析、薄膜密度和sp杂化分析考察了含氢DLC膜的结构特性. 通过比较模拟结果, 发现随着入射轰击能量的增加, 含氢类金刚石膜中碳的含量总体上呈现增加的趋势; 在含氢DLC膜中所沉积的氢原子数存在峰值, 峰值前后变化趋势相反, 大于80 eV以后趋于饱和与稳定, 薄膜相对密度也随之增加, 达到50 eV时趋于稳定值; 膜中碳原子比氢原子具有更强的成键能力, 易与基底发生化学吸附; 沉积源基团的氢含量决定生长成膜以后的薄膜氢含量, 沉积源基团中的氢含量高, 则所生长薄膜的氢含量高.     

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.     

刻蚀法制备具有减反增透和超疏水性质的玻璃表面

通过简单的一步水热碱性刻蚀,然后经低表面能物质1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷修饰,成功获得了具有超疏水性质和高透光率的玻璃表面.考察了刻蚀温度和刻蚀时间对玻璃润湿性和透光性的影响.结果表明,随着刻蚀温度的升高或刻蚀时间的增长,玻璃表面的疏水性越好;在所考察的刻蚀温度和刻蚀时间范围内,随着刻蚀温度升高或刻蚀时间增长,样品的透光率先增大后减小.此外,分析并讨论了玻璃表面微观结构对样品润湿性和透光性的影响.本研究在120 min,85℃实验条件下,获得了接触角为152°,滚动角小于4°,最大透光率达98.1%(537 nm)的玻璃表面.     

硅纳米孔柱阵列及其表面铜沉积

采用水热腐蚀技术制备了硅纳米孔柱阵列(silicon nanoporous pillar array, Si-NPA), 并以此为衬底通过浸渍沉积制备出一种具有规则表面结构的铜/Si-NPA纳米复合薄膜(Cu/Si-NPA). 形貌和结构分析表明, Si-NPA是一个典型的硅微米/纳米结构复合体系, 它具有三个分明的结构层次, 即微米尺度的硅柱所组成的规则阵列、硅柱表面密集分布的纳米孔洞以及组成孔壁的硅纳米单晶颗粒. 研究发现, Cu/Si-NPA在形貌上保持了Si-NPA的柱状阵列特征, 薄膜中铜纳米颗粒的致密度随样品表面微区几何特征在柱顶区域和柱间低谷区域的不同而交替变化, 并形成一种准周期性结构. 上述实验现象被认为来源于铜原子的沉积速度对Si-NPA表面微区几何特征的选择性. Si-NPA可以成为合成具有某些特殊图案、结构和功能的金属/硅纳米复合体系的理想模板.     

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.     

超疏水表面形貌效应的研究进展

超疏水表面具有较好的疏水特性并且与水的接触角大于150°, 本文对超疏水表面疏水原因的理论分析和常用的制备方法做了较详细的总结, 介绍了微观形貌在疏水表面制备和减阻实验中的应用, 并提出目前有关超疏水表面仍未解决的问题, 最后对它的发展方向和前景进行了预测.     

通过简单的化学电沉积方法在工程材料表面构筑仿生超疏水表面

<正>中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室张招柱研究组,通过结合化学电沉积和自组织生长在铜表面构筑出仿荷叶超疏水表面.该疏水表面的接触角为(169±2)°,滚动角为(0±2)°.分析发现,该疏水表面具有羽毛状有序枝晶结构,银薄膜的厚度为10～30μm。     

MgO/α-Al_2O_3单晶衬底上磁控溅射Pt外延薄膜微结构观测分析

采用射频磁控溅射方法在Mg O和α-Al_2O_3单晶基片上沉积制备Pt外延薄膜,研究了衬底晶格结构和沉积氛围对薄膜外延生长晶向和表面形貌的影响.实验研究表明,Pt薄膜外延生长晶向主要受衬底表面晶格结构的影响,沉积氛围主要影响薄膜表面形貌.X射线衍射分析证明了Pt(100)//Mg O(100),Pt(111)//Mg O(111),Pt(111)//α-Al_2O_3(0001)和Pt(111)//α-Al_2O_3(01 12)的晶面外延关系.扫描电子显微镜观测发现15%氧分压氛围沉积在Mg O(111)和α-Al_2O_3(01 12)衬底上的Pt(111)外延薄膜以三角形晶粒密排堆叠形成平整致密的膜面,但膜内存在旋转畴缺陷;而15%氧分压氛围沉积在Mg O(100)衬底上的Pt(100)外延薄膜无旋转畴缺陷,但薄膜表面出现大小不一的微孔.     

液体基底表面金属薄膜的特殊力学性能及复杂有序结构

利用真空热蒸发方法在液体(硅油)基底表面制备了铝、铁等多种具有自由支撑边界条件的金属薄膜系统, 研究了其特殊的力学性能及由此引起的复杂表面有序结构. 实验结果表明, 此类薄膜中存在自边界向内部区域呈不断衰减的压应力场, 导致裂纹在薄膜边界处凝聚产生并逐渐往薄膜纵深区域延伸. 由于固体薄膜和液体基底之间的切向作用能几乎为零, 金属薄膜可较自由地在硅油表面作整体滑移运动. 伴随着压应力的不断释放, 裂开后的薄膜片之间发生碰撞挤压并逐渐相互穿插叠加, 最终形成具有反对称特征的带状有序结构. 基于此类薄膜系统特殊的力学行为, 对有序结构的形貌特征和生长机理进行了详细的分析讨论.     

无机盐离子对石英表面油-水润湿性的影响

油藏岩石表面油-水润湿性对原油的开采具有重要影响,润湿性向亲水转变被认为是低矿化度水驱技术的主要机制,但是低矿化度水注入后岩石表面发生润湿性转变的微观机理目前依然存在很多争议.本研究针对极性分子在岩石表面的极性吸附,研究水中无机盐离子对石英表面润湿性的影响及其作用机理.研究发现,相同浓度下,NaCl溶液和KCl溶液的接触角基本相同;在浓度较低时, CaCl_2溶液使三相接触角降低的幅度比NaCl溶液更大,Na_2SO_4溶液比NaCl溶液效果更明显;在较高浓度下, Na_2SO_4溶液的接触角与NaCl溶液相似.当离子浓度大到一定程度时,不同溶液的接触角都趋于15°左右,离子使吸附的极性分子基本都脱附,导致石英表面润湿性向亲水转变.基于石英粉末的Zeta电位测量和石英片表面的原子力显微镜(atomic force microscopy, AFM)粗糙度分析,提出了两种机理解释:(1)癸烷中的十八胺在油水界面质子化带正电,与水中阴离子相互吸引,降低了油水界面张力;(2)水中的阳离子在带负电的石英表面吸附,使石英片表面负电性减弱,并置换了部分石英表面吸附的十八胺分子,使石英表面亲油性减弱.     

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.