超疏水表面仿生原型制备技术研究分析

超疏水表面(superhydrophobic surface)是指水滴静态接触角>150°且滚动角<10°的材料表面,广泛应用于自清洁、防腐蚀、疏水抑冰与船舰减阻等诸多工程领域。基于仿生工程学原理,人们对典型超疏水仿生原型进行广泛研究,以期获取超疏水表面研制的理论基础。从呈现超疏水润湿现象的典型动植物体表入手,综述其表面微形貌结构特征对超疏水润湿特性的影响机制,介绍材料表面超疏水润湿行为量化表征的数学模型;重点关注仿生超疏水表面制备技术的最新研究进展,包括传统制备方法与3D打印制备技术,以及超疏水表面制备样件的功效表征;分析指出仿生超疏水表面的低成本、大面积、功效持久性是该领域未来发展的重要方向。研究成果可加深学者对超疏水润湿特性的认知,推动超疏水表面仿生研制新思路、新方法、新技术的发展。     

工程仿生领域猪笼草叶笼研究现状及发展趋势

猪笼草叶笼能够捕集昆虫并将其消化成生长所需的营养元素,依据宏/微观形貌结构差异可划分为盖子、口缘、滑移区与消化区等区域。口缘密布楔形盲孔的辐射状沟脊结构可使液膜产生定向移动,滑移区形貌结构呈现抑制昆虫附着、低黏附超疏水等特性,受到学者普遍关注并逐步成为研究热点。从口缘与滑移区在工程仿生领域的研究现状入手,介绍其形貌结构特征与功能特性,重点关注以其为仿生原型制备液膜定向传输、昆虫滑移捕集、超疏水等功能表面的研究进展,并对未来需要关注的研究内容进行分析,从而进一步加深人们对叶笼形貌结构与功能特性的认识,为功能表面仿生研制提供新思路。     

“水黾”机器人练就水上绝技

水黾是在湖水、池塘、水田和湿地中常见的小型水生昆虫，身长约1厘米，能在水面滑行、跳跃。 不久前，我国科学家首次开发出可模仿水黾跳跃的仿生微型机器人。它采用新型驱动系统，使用超疏水材料制造支撑腿和跳跃腿。     

从自然到仿生的超疏水纳米界面材料

浸润性是固体表面的重要特征之一，它是由表面的化学组成和微观几何结构决定的。日前我们关于荷叶和水稻叶的研究显示，一种具有较大接触角和较小滚动角的超疏水表面，需要微米和纳米级的结构有机结合形成复合结构，而且表面微观结构的排列方式会影响水滴的运动趋势。通过对水黾腿表面结构的详细研究，得到了超疏水性质与微、纳米结构取向之间的关系。据此，我们已成功制备出了超疏水和超双疏的纳米界面材料，并实现了热响应性和光响应的超疏水与超亲水可逆“开关”材料。     

基于软印刷技术的竹材表面仿制荷叶超疏水结构

 利用软印刷技术,研究了在竹材表面仿制荷叶表面的超疏水性微纳结构。以新鲜荷叶为模板,以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为印章,经过两次复形处理使竹材表面获得类似荷叶表面的超疏水结构。扫描电子显微镜（SEM）观测及接触角测试结果表明,制备的仿生荷叶竹材样品具有与荷叶类似的微纳乳突结构粗糙表面,其与水滴的接触角达到150.5°（平均值）,非常接近荷叶表面的接触角（154.5°）,表现出超疏水特性。仿生荷叶微纳结构竹材样品的成功制备,证实了纳米技术赋予竹材等亲水材料以超疏水性能的可行性。     

八宝景天叶片表面润湿性测试与疏水机理分析

为探寻用于超疏水表面制备的仿生原型,测试了八宝景天(Hylotelephium erythrostictum)叶片表面对水滴的润湿性,采用扫描电镜和三维形貌干涉仪对叶片表面微形貌结构进行观测并提取特征参数,基于Wenzel方程和Cassie-Baxter方程构建模型用以分析叶片表面的疏水机理。结果表明:润湿性随叶片类型的不同而呈现差异,其中新鲜幼叶正、反表面的接触角分别为(147.25±3.79)°和(137.46±4.03)°,新鲜幼叶反面的接触角高达152.54°;叶片表面由排列连续致密且呈椭球形的凸包和交错排列成网状且形貌不规则但可辨别轮廓的蜡质晶体构成,不同类型叶片表面的凸包形貌呈现显著差异但蜡质晶体形貌未有明显区别;幼叶正、反表面的凸包具有相似的高度但分布密度和投影面积显著不同,蜡质晶体层的高度和面积比未有明显差异;微米级凸包和纳米级蜡质晶体的协同作用使叶片表面呈现疏水特性且蜡质晶体发挥关键作用。基于Cassie-Baxter方程构建的模型能够有效揭示叶片表面的疏水机理,并可为超疏水表面的仿生制备提供理论支持。     

仿生原型毫-微牛级力测试技术研究进展

许多动物依靠自然进化形成能够展现优异功能的身体结构,以其作为仿生原型,可为工程领域存在的复杂问题提供有效解决途径。仿生原型毫-微牛级力测试技术可为揭示仿生原型运动力学机制提供必要的测试手段。从呈现优异功能特性的典型仿生原型入手,综述了用于仿生原型运动功能与材料物理特性定量表征的毫-微牛级力测试技术研究进展,重点分析了传感器测力系统、离心运动测力系统、图像处理测力系统的原理与功能,指出仿生原型毫-微牛级力测试技术后续研究应重点关注以下3个方面:1)传感器测力系统应提升其动态响应特性与测试精度,以精确表征仿生原型的运动特性;2)离心运动测力系统应提升测试平台转速信息采集精度与高速摄像机图像清晰度,以准确表征微小仿生原型与材料表面的交互作用;3)图像处理测力系统应考虑如何从图像中精确提取微位移信息,以提高测力系统的测试精度与准确度。     

涂层法制备超疏水表面及在油水分离中的应用

采用涂层法,以含硅聚四氟乙烯为成膜物质,以疏水纳米SiO2为填料,成功制备出含有微/纳米复合结构的超疏水表面.系统研究了疏水纳米SiO2和低表面能物质的含量与涂层表面水接触角的关系.采用接触角测量仪和扫描电子显微镜(SEM)分别对涂层的水接触角和表面形貌进行表征,根据国家标准分别对涂层厚度、硬度和结合力进行测试.在最佳制备条件下,该超疏水涂层水接触角153.5°,涂层厚度22μm,涂层硬度4H,结合力1级.该超疏水涂层具有自清洁及良好的油水分离性能.     

超滑表面防冰与疏冰机理研究

为解决高湿度条件下超疏水表面防冰失效问题,提出了一种新型多孔超滑表面。基于自组装技术,提出新型超滑表面(HPO-SLIP)涂层表面制备方法,即通过构建超疏水粗糙多孔基底进而涂覆润滑油制备获得超滑表面,并对其润湿特性和微观形貌进行表征,最后对其防冰与疏冰特性进行实验研究。实验结果表明:与超疏水表面相比,超滑表面冷凝液滴孤立冻结,无"冰桥"扩展,结冰扩散速度慢;超滑表面与冷凝冻结液滴接触属于固-油-固接触模型,油膜动态迁移分布影响成核结冰;对于疏冰特性,超滑表面冰黏附剪切强度比亲水表面低一个数量级。综合分析发现,与亲水表面、超疏水纳米草表面、超疏水微纳复合表面相比,超滑表面具有最优的防冰传播特性与疏冰性能,可以有效减少冰积累量。     

鱼形微机器人推进的力学分析

基于鱼类肌肉水动力学的研究,利用鱼类尾鳍与微机器人摆翼运动相似性,对仿生鱼形微机器人摆翼所产生的推进力进行了分析。分析表明,鱼形微机器人推进力与流体的粘性系数、摆翼面积和偏移角等因素有关。     

娘子关泉域岩溶水环境问题及其保护对策

娘子关泉域岩溶水是阳泉市的主要供水水源，但是近年来，岩溶地下水水位下降、水质污染、泉水衰减等问题日益严重。分析了影响娘子关泉域岩溶水环境的主要因素，提出了保护岩溶水资源的对策。     

水资源紧缺类型及其对策分析研究

从水的供给和需求角度分析了水资源紧缺原因,其中供给角度造成的紧缺有资源犁紧缺、水质型紧缺和工程型紧缺,需求角度造成的紧缺有结构型紧缺、效率型紧缺和价格型紧缺.针对紧缺原因,提出了被动型、主动型和混合型3种水资源配置对策.     

我国水资源问题的严重性与对策

从生活用水、经济发展和生态环境等方面分析了我国水资源紧缺的严重性；从发展规划、水循环规律、科学管理、建立节水型社会，提出了解决问题的对策．     

换热设备软化水的腐蚀分析及水处理防护

根据循环软化水水质指标现状,详尽分析了各种腐蚀因素的影响,论述了软化水的腐蚀机理。根据循环水质存在的腐蚀问题确定合理的水处理方案。加药处理后的循环水质指标表明,投加的水处理药剂对换热等设备起到了有效的防腐作用。     

北京市水危机与水资源可持续利用对策

针对北京市水资源短缺和近年来水供需矛盾加剧问题，在总结北京市近20年水资源量和用水结构变化的基础上，分析了北京市水危机发生的原因，探讨了北京水资源合理利用和保护的途径。研究表明，开源与节流并重，保护与利用并举，最大限度地挖掘当地水资源潜力，是解决当前和今后几年北京水资源供需矛盾和实现水资源可持续利用的有效措施。     

广州市供水水源分析与改进设想

通过对广州市现有水厂水源情况进行分析,发现各水源面临着供水量短缺,且受到不同程度的污染,广州市正处于水质性缺水状态,从而,提出引西江水入广州,是解决广州目前水质性缺水问题的最有效办法．     

引黄工程供水水价问题探讨

利用经济学理论,对水这个特殊的商品（资源）进行了探索,将水资源进行延伸,针对不同的消费群体,提出了一条供水的新思路,希望能够对引黄供水事业的持续发展起到一定的借鉴作用。     

节水型校园建设规划的研究

以天津大学为例,通过对建设节水型校园的必要性和水环境现状的分析,提出了节约水资源、改善校内水环境的规划措施.节水型校园规划将以节水为目标,再生水回用为核心,地面水综合整治为重点,改善校园内的整个水环境;包括建立再生水回用系统、景观水体处理系统及水系网络建设,使校园内的水体形成"网、线、点",在天津大学内形成一个良好的水生态系统网.同时,对此节水工程规划所带来的社会效益、环境效益、经济效益等方面做了论述.     

虚拟水战略中的蓝水和绿水细分研究

 对虚拟水资源中的蓝水和绿水进行细分,在此基础上评价通过实施虚拟水战略节约的能被农牧业生产之外其他社会经济部门利用的水资源量,是在更宽广范围内进行区域水资源优化配置的重要前提。通过构建蓝水绿水细分模型估算了虚拟水战略中的蓝水资源量和绿水资源量,并以北京市为例开展实证研究。结果表明,北京市主要粮食作物生长消耗的虚拟水中,在考虑土壤水储存和不考虑土壤水储存两种情况下,2007年消耗的蓝水资源量分别为6.21、6.29亿m3,均明显多于同期消耗的绿水资源量;1999年以来基于粮食贸易输入的虚拟水资源量和蓝水资源量迅速增加,其中蓝水输入量最高已达38.80亿m3,而2001—2007年基于口粮贸易的蓝水输入量占相应实体水资源量的比例均高于50％。因此,近年来虚拟水战略在缓解北京市水短缺危机方面已发挥了重要作用,而对虚拟水资源中蓝水和绿水进行细分可为在更宽广范围内进行区域水资源优化配置提供参考。     

略论成都市水资源开发利用

本在在水资源现状分析以及需水量预测的基础上,通过水量平衡的计算,提出了解决成都市水资源供需矛盾的措施、对策.