蝴蝶翅表面的多级复合结构和疏水性

使用扫描电镜和视频光学接触角测量仪研究了22种蝴蝶翅表面的多级复合结构和疏水性。一级结构为微米级鳞片,鳞片密度为101~280个/mm2,长65~135μm,宽35~85μm,间距48~112μm。二级结构为鳞片表面的亚微米级纵肋和横向连接。三级结构为纵肋和横向连接上的纳米级突起。蝴蝶翅表面的蒸馏水接触角为138.2°~158.5°,属于天然疏水表面,这是翅表面化学组成与微观结构协同作用的结果。蝴蝶翅表面可为新型仿生自清洁材料的制备提供生物模板。     

蝴蝶翅表面多级微/纳结构疏水模型及耦合机理

使用扫描电子显微镜(SEM)、接触角测量仪和红外光谱仪(FT-IR),观测了27种蝴蝶翅表面的微观结构、复合浸润性和化学成分.利用Cassie方程建立了蝴蝶翅表面微/纳结构疏水模型,从生物耦合角度探讨了疏水机理.结果表明,蝴蝶翅表面由天然疏水材料组成,具有复杂的多级微/纳结构,包括一级结构(微米级鳞片)、二级结构(纳米级纵肋和横桥)和三级结构(纳米级突起).翅表面具有高疏水性(接触角138°~157°)和低黏附性(滚动角1°~3°).翅表面微观形貌和自清洁性具有显著的各向异性.这种特殊的复合浸润性是材料耦元与结构耦元耦合作用的结果.微米级鳞片的宽度越小、间距越大,纳米级纵肋的高度越小、宽度越小、间距越大,翅表面疏水性越强.研究结果有助于进一步流调结果揭示生物表面的疏水机理,为智能界面材料的仿生设计和制备提供启示.     

东亚飞蝗体表润湿性测试及疏水机理分析

为探寻用于疏水表面制备的仿生原型,测试了东亚飞蝗(Locusta migratoria manilensis)体表典型部位的润湿性。采用扫描电子显微镜和三维形貌干涉仪对体表微形貌结构进行了观测,基于Wenzel模型和Cassie-Baxter模型简要分析了体表典型部位的疏水机理。结果表明,体表不同部位的润湿性呈现差异,其中水滴在内翅表面的接触角相对较大(132.92±4.73)°,在外翅表面的接触角相对较小(119.47±4.32)°,在颈部和口器表面的接触角介于两者之间。外翅表面分布着~100μm级脊状凸起和纳米级蜡质膜层,内翅表面覆盖着毫米-微米级脊状凸起和大量微米-纳米级乳突,颈部和口器表面呈现凹凸起伏的毫米-微米级形貌结构,小区域的颈部和口器表面展现出相当光滑的微形貌。内翅因具有由脊状凸起和乳突构成的复合尺度结构而能使水滴产生CassieBaxter接触状态,从而呈现相对较大的接触角;其他典型部位的表面微形貌结构使水滴产生Wenzel接触状态而呈现相对较小的接触角。研究结果不仅能够量化表征东亚飞蝗体表典型部位的润湿特性,还可为疏水表面结构的仿生制备提供参考。     

蝴蝶翅膀表面超微结构与浸润性机理分析

用热场发射扫描电子显微镜和接触角测量仪观测迁粉蝶、密纱眉眼蝶、素饰蛱蝶、绿带翠凤蝶和黑绢斑蝶翅膀表面的超微结构,测量其静态接触角和滚动角,测量分析表明: 蝴蝶翅膀表面覆盖着重叠排列的瓦片状鳞片,鳞片上分布有纵隆脊和肋,相邻脊脉与肋间形成了凹坑;鳞片的排间距、脊和肋按蝴蝶种类的不同而具有不同的尺寸.有鳞片翅膀表面的接触角在 139.7°～158.9°之间,明显大于无鳞片翅膀表面的接触角(88°～144°),正向、逆向和垂直翅脉发散方向的滚动角不同,翅膀表面的超微结构导致其具有各向异性的浸润性.     

蝴蝶翅粗糙表面的各向异性及机理分析

使用扫描电镜和接触角测量仪,观测了蝴蝶翅粗糙表面的各向异性,进行了机理分析。结果表明,蝴蝶翅表面微观复合结构(一级结构、二级结构、三级结构)具有显著的各向异性,并由此导致液滴在蝴蝶翅表面的滚动行为及自清洁性呈现各向异性,正向滚动角垂向滚动角逆向滚动角。蝴蝶翅表面可作为纳米自清洁表面的仿生制备模板。翅表面的各向异性是蝴蝶长期进化的结果,对于蝴蝶的生存和繁衍具有重要意义。     

自组装合成超疏水聚苯胺片状多级结构

采用无模板-化学氧化聚合法,在全氟辛酸(PFOA)的水溶液中以过硫酸铵(APS)为氧化剂聚合苯胺(Ani)自组装合成超疏水聚苯胺(PANI)片状多级结构.利用SEM,FT-IR,XRD和UV-vis对其形貌和结构进行了表征.当PFOA浓度为0.002 4 mol/L,聚合温度为25℃时,氧化剂APS的量与苯胺相同;Ani浓度为0.022mol/L时,合成的PANI为长几十微米宽大约为2~5μm的片状结构,该片状结构表面由长大约1μm直径约为100nm的PANI纤维组成;而Ani浓度为0.044mol/L时,合成的PANI长为20μm左右宽大约为2~3μm的片状结构,该片表面布满短而粗的不规整纤维,并且发现它们的水接触角分别为149°和151°,表明该材料具有超疏水性能.     

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.     

微米级余弦槽表面疏水性及冷凝传热实验研究

为了研究余弦微槽结构的疏水性和冷凝传热性能,首先制备了不同槽峰高度和槽距的微米级余弦槽结构表面,实验研究了不同结构微槽表面的静态接触角及其对滴状冷凝传热性能的影响,并对冷凝传热过程中液滴在微槽表面合并、脱落过程进行实验研究和热力学分析。结果表明,液滴在微槽表面的疏水性和传热性能都呈现明显的各向异性,横向静态接触角θ⊥明显高于纵向接触角θ∥。同时,冷凝传热过程中竖直纵槽阻碍液滴的横向合并,但其对液滴脱落过程起到极大促进作用,传热性能较光滑表面提高30%~50%,且峰距比越大液滴的脱落半径越小、脱落频率越高,表面传热效率也越高。水平横槽则相反,虽然增大峰距比促进了液滴合并,但却对其脱落过程产生不利影响,导致整体传热性能较纵向槽表面大幅下降,与光滑表面接近。引入表面润湿率对微槽表面的液滴脱落半径进行热力学计算,计算值与实验结果吻合较好,误差在20%以内。     

不同接触角微肋阵内的对流换热及能效特性

在椭圆形微肋阵表面固化含有微纳米粒子的疏水性涂层获得具有不同接触角的疏水性微肋阵,测试不同雷诺数Re下实验段内的压降?流动阻力系数f及努塞尔数Nu,并分析了接触角变化对微肋阵热沉内流阻和换热的综合影响及其能效特性?研究结果表明,疏水性涂层具有显著的减阻效果,压降和流动阻力系数随接触角增大而减小;但疏水性微肋阵内的Nu也降低,且3种疏水性微肋阵内Nu之间的偏差随功率的增加而增大;尽管表面疏水性降低了微肋阵内Nu,接触角为151.5°超疏水微肋阵仍具有较好的能效特性,与无疏水性涂层的微肋阵相比,相同对流换热量时其所需泵功可减少200%以上?     

热压印聚丙烯疏水膜的制备及表征

以聚丙烯(polypropylene, PP)为原料，不锈钢分子筛网为模板，通过热压印技术制备了PP疏水膜，重点考察了热压印工艺对疏水膜结构及性能的影响.利用扫描电子显微镜(SEM)分析膜表面形态结构的构筑及演变，以接触角测量仪测试膜的疏水性能，通过模拟材料的日常磨损分析PP疏水膜的机械稳定性能，由不同液滴在膜表面的滚动行为考察了膜的黏附性能.结果表明：PP疏水膜表面具有完善的微米级棱状突起结构，赋予膜良好的疏水性能；综合考虑热压印温度和压力的影响，通过单因素实验确立最佳成型工艺为140℃、10 000 N,PP疏水膜的表面静态水接触角为140.31°,滚动角为7°,具有良好的疏水性能和机械稳定性能.     

Hydrophobicity mechanism of non-smooth pattern on surface of butterfly wing

Twenty-nine species (24 genera, 6 families) of butterflies typical and common in northeast China were selected to make qualitative and quantitative studies on the pattern, hydrophobicity and hydrophobicity mechanism by means of scanning electron microscopy and contact angle measuring system. The scale surface is composed of submicro-class vertical gibbosities and horizontal links. The distance of scale is 48—91 μm, length 65—150 μm, and width 35—70 μm. The distance of submicro-class vertical gib-bosities on scale is 1.06—2.74 μm, height 200—900 nm, and width 200—840 nm. The better hydropho-bicity on the surface of butterfly wing (static contact angle 136.3°—156.6°) is contributed to the co-effects of micro-class scale and submicro-class vertical gibbosities on the wing surface. The Cassie equation was revised, and new mathematical models and equations were established.     

Multivariate coupling mechanism of NOCTUIDAE moth wings’ surface superhydrophobicity

The surface shape, structure, biomaterial and wettability of moth wings (10 NOCTUIDAE species) from the northeast region of China were qualitatively and quantitatively studied by means of a stereoscopic microscope, a scanning electronic microscope, fourier transform infrared spectroscopy(FT-IR) and the interface contact angle measurement. The observation shows that there are scales arranged like overlapping tiles on the surface of the moth wings. The shapes of the scales are different between species. They overlap horizontally and there is particular space vertically in the direction of the wing veins. The surface of the scale is structured by micron-class grooves and nanometer-class vertical gibbosities. The biomaterial components of the moth wing scale are mostly made up of protein, lipids and chitin. The observation also shows that the contact angle for wings with scales is in the range from 144.8° to 152.9°, while that for those without scales is from 90.0° to 115.9°. It indicates that the surfaces of the wings with scales are more hydrophobic. According as Cassie model, the equation of wettability on the NOCTUIDAE moth wing surface is established and the hydrophobic mechanism is analyzed. It is concluded that the hydrophobicity of the moth wings is induced by the multivariate coupling of the shape, structures and biomaterial of the scales. Supported by the Key Research Project under the National Natural Science Foundation (Grant No. 50635030), Specialized Research Fund for Doctoral Program of Higher Education of China (Grant No. 20040183048) and Graduate Student Innovation Foundation of JiLin University (985 Project) (Grant No. 20080210)     

不锈钢衬底上固化环氧树脂胶的SEM测量与分析

采用扫描电子显微镜和光学显微镜等方法,对在不锈钢衬底上固化后环氧树脂胶的显微结构进行了测量与分析.结果表明：1）环氧树脂样品中存在一定的宏观（0.1mm）不均匀,既存在无色透明的区域,也存在半透明乳白色区域.在乳白色区域中,还存在白色斑点.无色透明区域在约10μm尺度以上,空间均匀性较好;在约10μm尺度以下,出现空间不均匀性.半透明乳白色区域中斑点大小为1μm量级的近圆形区域.2）边缘处的环氧树脂胶厚度逐渐变薄,表明未固化的环氧树脂胶与不锈钢衬底之间即使达到μm级仍然是浸润接触.在样品中没有观察到裂纹,样品和衬底之间也未观察到缝隙.边缘与衬底接触部分形成较为均匀、平行于衬底表面、厚度约0.5μm的空间层状结构.     

高等级公路路面沥青层剪应力分布研究

采用实测轮胎接地有效面积和接地压力,通过编写Fortran程序将交通荷载转化为移动均布荷载,对三维多层的沥青路面进行有限元动态分析,得到路面沥青结构层剪应力沿深度方向的分布规律.结果表明,不同荷载条件下路面沥青层剪应力的差异明显,水平力对剪应力亦有较大影响;路面面层回弹模量、泊松比及基层回弹模量对剪应力的影响均比较显著.     

行车荷载及路面结构对车辙影响的有限元分析

基于车辙的产生机理，采用实测轮胎接地压力，对柔性基层和半刚性路面结构内的剪应力进行三维有限元分析，结果表明，相同荷载条件下两种路面结构所受的剪应力有较大差异，水平力对剪应力亦有较大的影响；基层模量、面层厚度、面层模量对沥青层内的剪应力影响均比较显著．因此，为防治车辙，应该在路面设计时对路面结构组合类型的抗车辙能力进行充分的考虑，并严格控制超载．     

西安地铁某车站深基坑开挖变形特性分析

为了确保基坑开挖中周边环境的安全,以西安地铁某车站深基坑开挖为例,运用ABAQUS软件建立三维模型模拟开挖对周边地表沉降和围护结构变形的影响,重点研究开挖中周边地表的沉降分布规律和围护结构变形的规律,并与现场实际监测数据进行对比分析。结果表明：地表沉降的实测值比模拟计算值大,但变化趋势基本一致;在基坑开挖过程中,地表最大沉降位置距离基坑边缘约11 m处,最大值为3.298 mm;围护结构水平变形沿开挖深度的变化曲线呈抛物线形,最大水平位移位于基坑最大开挖深度的 1/2 处,最大水平位移为11.05 mm,距基坑长边边缘0~25 m及短边边边缘0~22 m范围内的地表沉降最大,施工监测中应重点关注。     

Seismic P-wave tomography in eastern Tibet: Formation of the rifts

For better studying the relationship between the rifts and deep structure, a detailed P-wave velocity structure under eastern Tibet has been modeled using 4767 arrival times from 169 teleseismic events recorded by 51 portable stations. In horizontal slices through the model, a prominent low-velocity anomaly was detected under the rifts from the surface to a depth of ~250 km; this extends to a depth of ~400 km in the vertical slice. This low-velocity anomaly is interpreted as an upper mantle upwelling. The o...     

Modeling of Air Temperature for Heat Exchange due to Vertical Turbulence and Horizontal Air Flow

In order to calculate the air temperature of the near surface layer in urban environment,the Sur-face layer air was divided into several layers in the vertical direction,and some energy bakmce equations were de-veloped for each air layer,in which the heat exchange due to vertical turbulence and horizontal air flow was tak-en into account.Then,the vertical temperature distribution of the surface layer air was obtained through the coupled calculation using the energy balance equations of underlying surfaces and building walls.Moreover,the measured air temperatures in a small area (with a horizontal scale of less than 500 m) and a large area (with ahorizontal scale of more than 1000 m) in Guangzhou in summer were used to validate the proposed model.The calculated results agree well with the measured ones,with a maximum relative error of 4.18%.It is thus con-cluded that the proposed model is a high-accuracy method to theoretically analyze the urban heat island and the thermal environment.     

鳞翅目昆虫翅标本的一种简易制作方法

蝶和蛾是组成鳞翅目昆虫的两大类群.蝶和蛾的主要分类依据是成虫翅上按一定规律排列的鳞片所形成的斑纹色彩.通常制作的整体展翅标本,不仅易被虫蛀也易损坏,而且不便于携带.现介绍一种用胶带纸制作的贴翅标本.具体分为五个步骤:取翅、准备过塑膜、贴翅、安触角贴标签和过塑.     

吹填土固结过程中结构与物理性质变化

吹填土的固结过程是土颗粒从无序不规则排列到有序较规则排列,直到絮凝并形成较稳定土结构的过程.在吹填土室内模拟加固试验的过程中,在指定位置和深度采取土样,进行土样的基本物理性质和微结构的测试.对土样微观结构、颗粒粒度、颗粒丰度、颗粒定向性以及宏观基本物理性质变化进行分析.结果表明:深部颗粒团聚程度大于浅部.浅部颗粒水平向的变化大于竖向,深部竖向和水平向的变化程度相似.结构单元体粒径2,μm的颗粒数量不断减小,20,μm颗粒数量不断增加.颗粒丰度有减小趋势.土颗粒定向于某个或某几个方向.定向性和丰度的增加促使颗粒的团聚.该过程是土颗粒由不稳定向稳定状态不断过度的过程.集粒的形成大幅度改善宏观物理性质,表现为含水率的减少和密度的增加.