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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

预应力作用下双层石墨烯低温热振动

热振动对纳尺度器件动力学特性有着重要的影响.为此,建立了预应力作用下,考虑量子效应的双层矩形石墨烯的等效连续介质模型.计算了不同预应力作用下,不同温度时双层石墨烯的固有频率和均方根振幅.双层石墨烯层间存在范德华相互作用,其同向振动固有频率与相同尺寸单层石墨烯固有频率相等,双层石墨烯存在大于同向振动频率的反向振动频率.考虑量子效应板模型得到的均方根振幅值小于结合能量均分原理板模型得到的结果.且随着温度的降低,两种板模型结果之间的差值增大,量子效应越来越明显.随着预应力的增加,双层石墨烯的固有频率值增加,均方根振幅值降低,量子效应的影响逐渐增加.预应力对同向振动的影响远大于对反向振动的影响.分析了零点能量对双层石墨烯热振动的影响,当计入零点能量后,石墨烯均方根振幅大于结合能量均分原理板模型预测的结果,且在零温时依然存在不为零的振幅.     

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.     

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.     

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.     

液体静电雾化现象及其应用

液体由细管流出下滴时,若在细管上施加高电压,液滴在静电力的作用下,会分裂成微粒,发生喷雾现象,称之为液体静电雾化.在大气中,液滴的最大电荷面密度接近于一定值,静电雾化使液体单位质量的表面积扩大,增大了液体单位体积的表面电荷量,这样便可有效地利用静电力.由液体静电雾化现象萌生的种种技术,在许多领域里得到日益广泛的应用.     

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.     

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.     

纳米颗粒表面活性剂对T型微通道中液滴分裂的影响

液滴分裂是微通道中获得单分散小尺寸液滴的重要方法,纳米颗粒表面活性剂能够包裹液滴,是制备功能胶囊的潜在技术手段,研究纳米颗粒表面活性剂作用下的液滴分裂行为对于获得尺寸更小、分散性更好的功能液滴具有重要意义.本文通过微流体可视化实验和理论分析方法,研究纳米颗粒表面活性剂对液滴分裂的影响规律.在纳米颗粒表面活性剂作用下,液滴分裂存在阻塞分裂、过渡态分裂、非阻塞分裂、不分裂4种状态;通过分析液滴颈部宽度随时间的变化关系,得出纳米颗粒表面活性剂对液滴分裂的影响机理,即通过降低界面张力影响挤压颈缩速率;通过分析基于液滴尺寸与毛细数的液滴分裂状态分布相图,建立了液滴阻塞分裂与非阻塞分裂的临界转化理论模型.     

电场作用下电流变液滴的变形及力学行为

外加电场作用下的液滴变形及力学行为是电流体动力学研究的重要内容.基于volume-of-fluid(VOF)方法,将电场力作为源项添加到流体运动的Navier-Stokes方程中,提出了电流体流场与电场双向耦合的数值方法,分别研究了外加均匀电场与非均匀电场作用下,中性漏电液滴和带电液滴的变形/运动及其力学行为.小变形条件下,数值模拟得到的外加均匀电场中性漏电液滴的变形系数接近于理论值,验证了本文方法的正确性.研究结果表明,电场作用下液滴与周围介质物理属性的差异导致液滴表面不同的自由电荷再分配形式及其变形状态;相对于电场方向,中性漏电液滴可能会发生"扁长型"或"扁平型"变形.均匀电场下,中性漏电液滴内部形成稳定的回转运动,液滴不会发生宏观运动;对于存在净电荷的液滴,由于库仑力的作用,液滴不仅会发生变形,同时也会沿电场线方向运动.非均匀电场下,中性漏电液滴与带电液滴都会沿电场线运动,并发生不同的变形.本文所提出电流体流场与电场双向耦合的数值方法为静电喷雾、电泳等复杂的工程电流体动力学研究提供了理论基础.     

Sturm—Liouville问题的传递矩阵法

一、引　言　　在许多工程和物理问题中常会遇到一类称为Ｓｔｕｒｍ -Ｌｉ ｏｕｖｉｌｌｅ问题的二阶常微分方程的特征值问题 .例如 :在工程结构的振动和稳定性分析中确定杆的自振频率和临界载荷[1 ] 、在量子力学中由定态Ｓｃｈｒ ｄｉｎｇｅｒ方程求出氢原子在有心力场作用下电离所需的最小能量、在大气物理学中确定在地球自旋作用下纬向气流的波动频率等均属此类问题[2 ] .由于问题的微分方程通常是变系数的 ,因而只有在少数特殊情形下可以得到精确解析解 .求解此类问题的一般方法有幂级数近似解析解法[2 ] 和松弛法[3 ] .本文将建议一种…     

分子束外延原位脉冲激光驱动金属Ga-droplet迁移的实现和研究

在液滴外延生长过程中金属液滴承担着生长前驱体的角色,直接决定着后续量子环、量子点、纳米线等量子结构的密度、尺寸、位置等参数.本文开展了在MBE(molecular beam epitaxy)液滴外延过程中通过原位激光作用调控金属Ga-droplet的前沿研究.首先利用MBE在GaAs(001)衬底上(150℃)沉积6 ML Ga原子以获得Ga-droplet密度约为5.7×10~(10) cm~(-2)的表面,然后原位引入单脉冲单束激光辐照衬底表面.实验观察到:Ga-droplet在激光辐照(能量密度大于10 m J/cm~2)的条件下将开始克服表面各个方向的迁移势垒发生显著而丰富的迁移行为,且这种迁移的剧烈程度与激光能量具有强烈的正相关规律.伴随这种迁移,不同Ga-droplet之间将发生随机的融合,从而强烈影响其密度以及尺寸.统计表明:当激光能量从10 m J/cm~2提高至30 m J/cm~2时,Ga-droplet的密度将迅速减小到近原来的三分之一,同时尺寸则迅速地增大,且整体分布由传统的"窄带"向"宽带"特点过渡.故通过本文的研究,证实和发现了液滴存在着极为敏感的表面"光致迁移"特性.凭借这一特性,不仅可实现对液滴整体尺寸、密度的二次修饰,获得一些在传统液滴外延中难以实现的分布特点,而且在将来我们完全有望凭借多光束干涉图形化调控液滴,最终实现人为可控的液滴外延技术,从而极大地推动整个低维纳米半导体材料的生长.     

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.     

现代人音乐疗法趣谈

音乐疗法,是通过生理和心理两个方面的途径来治疗疾病.一方面,音乐声波的频率和声压会引起生理上的反应.音乐的频率、节奏和有规律的声波振动,是一种物理能量,而适度的物理能量会引起人体组织细胞发生和谐共振现象,能使颅腔、胸腔或某一个组织产生共振,这种声波引起的共振现象,会直接影响人的脑电波、心率、呼吸节奏等.     

基于有限元法的挖掘机履带架模态分析

在挖掘机中存在很多周期性变化的激振源,如齿轮的啮合、辊子回转过程中的冲击振动等。如果挖掘机某一零部件的固有频率与上述激振源的频率重合或成整数倍关系时,这个零部件就有可能会发生共振,严重时造成零部件破坏或挖掘机不能正常工作。履带架是挖掘机的主要支承部件,如果履带架发生共振,将会造成严重的后果。因此,在挖掘机设计时,有必要了解履带架的固有频率和振型,利用有限元分析软件ANSYS进行模态分析,避免作业时产生振动过大的情况。