微结构疏水表面的液滴浸润特性

以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基底采用光刻蚀法制备了具有不同粗糙度的微方柱结构疏水表面,研究了微结构疏水表面的液滴浸润特性.结果表明,微方柱高度对表观接触角影响很小,但会显著影响疏水表面液滴浸润状态的稳定性,当微方柱边长和间距一定时,存在一个临界高度,当微方柱高度大于该临界值时,液滴具有良好的稳定性.通过对不同温度下疏水表面液滴浸润状态的研究表明,在露点温度至环境温度区间内,随着温度的增加,表观接触角呈增大趋势;在环境温度至沸点温度区间内,随着温度的升高,表观接触角呈减小的趋势.研究认为,合理的微结构尺寸和应用环境温度对液滴浸润状态的稳定具有重要意义.     

激光加工对65Mn超疏水表面分形结构机械稳定性的影响

以65Mn为基底材料,采用激光加工法,选择加工间距、扫描速度及重复扫描次数设计了正交试验,并经硬脂酸修饰构建了具有微纳复合结构的表面形貌。利用FESEM和EDS分别对样品表面的微观形貌和化学组成进行了分析,利用接触角测量仪及MATLAB分别对处理后65Mn样品表面的接触角(CA)、滚动角(SA)进行了测量,计算了砂纸磨损前后65Mn样品的分形维数。最终得到各参数最优水平为加工间距0.05 mm,扫描速度200 mm/s,重复扫描3次,65Mn最优水平样品表面的分形维数为最大值2.587 5,CA也为最大值154.19°;样品表面的分形维数达到最小值2.559 1时,样品表面的CA也降为最小值151.19°.采用5 kPa负载和砂纸,对65Mn优水平样品进行磨损测试,与对照组相比,磨损后的65Mn优水平样品表面仍然具有最大的CA(145.51°)及最小的SA(34.77°)。由试验结果可知,样品表面不同区域的粗糙程度和不规则性相似,具有典型的分形结构特征。表面分形维数可用来评估65Mn样品表面的超疏水特性,表面分形结构越明显,分形维数越大,与之对应的CA也越大。表面分形维数还可以判断65...     

化学刻蚀法制备铝合金基超疏水表面

采用简单化学刻蚀法对铝合金基体进行腐蚀,得到了粗糙表面.然后对铝合金粗糙表面进行氟化处理,得到了具有超疏水的表面.研究了不同刻蚀时间以及不同刻蚀液浓度对表面疏水效果的影响.结果发现:在实验的参数条件下,不同刻蚀时间下,接触角随着氢氟酸刻蚀时间的增加,先增加后减少,当氢氟酸刻蚀时间为7 min时,所得试件水的接触角最大.不同刻蚀液浓度下,接触角随着盐酸浓度的增加,先增加后减少.当盐酸浓度为4 mol/L时,所得试件水的接触角最大.     

Sierpinski亲/疏水分形图案表面气泡分布及强化换热研究

针对芯片散热表面热流具有典型的中心高四周低的非均匀分布特征,设计制备了具有三阶Sierpinski地毯曲线分形特点的亲疏水交错润湿铜表面,并通过实验观测了气泡在典型的亲/疏水分形表面的动力学特性。结果表明,气泡会首先在预设的高阶疏水点处成核、生长,并呈现典型的分形特征,实现了初始气泡成核位置的可控分布;之后,相互邻近的疏水点上的气泡开始克服能垒而发生合并,同时伴随着高阶疏水区域的气泡向中央低阶区域的定向移动、合并过程,最终在中心一阶疏水区域形成大气泡。相比于光滑及疏水点阵表面,Sierpinski亲/疏水交错润湿表面不仅能够有效降低液体起始沸腾温度,提高沸腾换热的临界热流密度,而且可以规划气泡的成核点及移动、合并方向,进而实现气泡空间分布与加热壁面热流密度分布的协同一致。因此,具有Sierpinski分形特性的亲/疏水交错润湿表面进一步提高了沸腾换热性能。     

电化学辅助制备锌基超疏水表面

采用电解浸泡的方法以锌为基底制备超疏水表面,利用扫描电子显微镜(SEM)、接触角测试仪对其进行形貌和疏水性的表征分析,并对制备过程中电解时间,电解液(豆蔻酸的乙醇溶液)浓度等条件的最优情况及材料的抗酸碱性进行研究.结果表明:电解液浓度为0.01mol/L,电解时间为60min条件下制备出接触角良好的锌基超疏水表面样品,且样品具有良好的抗酸碱性.     

氧化还原法刻蚀制备铜基超疏水表面

通过三氯化铁和铜的氧化还原反应,在铜基材料上制备了具有一定粗糙度的微结构表面。该表面使用月桂酸进行表面处理后,表现出优异的超疏水性能。水在该表面上的接触角可达161.6°。表面微结构和超疏水性能受刻蚀时间的影响较大。随着刻蚀时间的增加,表面上的微粗糙结构开始逐渐形成并增大,此过程对应的水的接触角不断增加,到一定程度后,逐渐趋于稳定。进一步考察了刻蚀剂的浓度、修饰剂的种类、浓度和时间等条件对于该表面超疏水性能的影响。结果表明,反应和修饰条件对铜表面的表面润湿性能具有明显的影响。     

DBD-PECVD法制备高疏水性氟碳聚合物(a-C:F)薄膜的研究

以C4F8为放电气体,利用介质阻挡放电化学气相沉积(DBD-PECVD)法制备了氟碳聚合物(a-C:F)薄膜.使用FTIR、AFM、接触角测量仪、台阶仪对a-C:F薄膜进行了表征,研究了放电压力及沉积时间对a-C:F薄膜的沉积速率、均方根表面粗糙度(RMS)和a-C:F薄膜疏水性的影响.实验结果表明,薄膜的沉积速率随放电压力的升高而增大,最大值为193 nm·min-1;当放电压力较低时,薄膜的RMS值小于1.0 nm;放电压力较高时,薄膜的RMS值大于100 nm.无论是改变放电压力还是沉积时间,a-C:F薄膜均表现出很强的疏水特性,最大接触角(以普通滤纸为基底)可达137°.a-C:F薄膜的表面粗糙度是影响a-C:F薄膜疏水性的重要因素.     

一步喷涂法制备低黏附的超疏水颗粒表面

采用硬脂酸和十八烷基三氯硅烷分别对商业来源的ZnO、TiO2和SiO2颗粒进行修饰得到相应的疏水颗粒.然后利用简单的一步喷涂法通过喷涂所制备的疏水颗粒的无水乙醇悬浮液制备自清洁型的超疏水颗粒表面.通过红外光谱(FT-IR)、X-射线光电子能谱(XPS)、X-射线粉末衍射(XRD)证明低表面能物质成功地修饰在这些氧化物表面;用扫描电镜(SEM)观察超疏水表面形貌发现表面团聚现象比较严重;用DSA100型接触角测量仪测量所制备的超疏水颗粒表面对水滴的静态接触角高达160°,滚动角小于5°,说明该表面具有良好的超疏水性能.     

仿生制备氧化锌纳米棒阵列超疏水表面

通过模仿荷叶表面微观结构和表面化学成分的方法,以玻璃为基底在溶液中生长ZnO纳米棒并经表面低自由能化修饰,从而成功制备了ZnO纳米棒阵列超疏水表面.经接触角测量仪表征,该超疏水表面静态水接触角为156°,扫描电镜分析表明所制备的ZnO纳米棒均具有100 nm左右的直径,这种微纳米的复合结构是赋予材料表面超疏水性能的主要因素.最后采用Cassie模型对该超疏水表面的超疏水性能进行了理论分析.     

氟化改性硅树脂制备的超疏水涂层防覆冰性能

研究具有超疏水表面特性的疏水涂层实际防覆冰效果.首先理论分析了水滴在固体表面浸润性影响因素,利用不同硅烷水解缩合反应制备出低表面能的含氟硅树脂,之后引入分形理论在含氟硅树脂中添加二氧化硅微粒制备疏水涂层.观察掺杂微粒的涂层表面微观结构,并测试水滴在不同涂层表面的接触角;为直观分析涂层防覆冰效果,将不同涂层涂覆试验件后在结冰风洞中进行覆冰测试.结果显示掺混不同量级微粒的疏水涂层表面形成复合粗糙结构,有着更好的粗糙度;含氟硅树脂表面水滴接触角较普通硅树脂提升10°,含有不同量级粒径微粒的涂层表面水滴接触角较单一粒径微粒掺混的涂层提升近20°,达到超疏水表面效果;具有复合微观结构的疏水涂层涂覆的试验件在5 m·s-1和15 m·s-1的风速下较无涂层表面覆冰减少率分别达到35.6％和25.9％,较只有一级粗糙结构的表面有效防覆冰时间长,具有较好的防覆冰能力.结果表明本文设计的超疏水涂层达到超疏水表面效果,且具有较好的防覆冰性能.     

地层流体对压裂用疏水支撑剂润湿性的影响

通过Washburn法测试了两种疏水支撑剂的三氯甲烷接触角,考察了疏水支撑剂经模拟地层流体在不同条件作用后的润湿性变化情况。实验研究表明:经模拟地层水浸泡的疏水支撑剂,其表面润湿性向亲水性方向转变,且温度越高、地层矿化度越高和作用时间越长,支撑剂的表面润湿性愈向亲水性转变;而经模拟油浸泡的疏水支撑剂,具有相似的规律,但其表面润湿性是向亲油性(疏水性)方向转变。     

基于分子动力学模拟的钙基蒙脱石表面润湿性研究

蒙脱石作为土体中主要的黏土矿物之一,其表面的润湿性对土体膨胀机制有着重要的影响。目前已有大量的研究对蒙脱石的亲水性进行了分析,但原子尺度的润湿机制仍有待探究。以钙基蒙脱石为例,基于分子动力学模拟计算了水分子在其表面的接触角,并结合原子的径向分布函数和密度分布特征分析了水分子在钙基蒙脱石表面的润湿性。结果表明：在300 K温度下,水分子在钙基蒙脱石表面的接触角为18.03°,计算结果与前人的试验数据一致性较好;Ca-O水和Ca-H水的径向分布函数都呈现出双峰特性,而Ca-O水的第一峰位更早出现,说明水中的氧更倾向于与钙离子结合形成水合钙离子;在表面离子产生的静电场作用的诱导下,表面水中的氧原子密度分布曲线呈现多个明显的峰,形成了有序的水化分层结构,进而导致蒙脱石表面呈现出明显的亲水性。研究结果可为进一步阐明蒙脱石吸水后引发的土体膨胀破坏和水土流失等现象提供理论依据。     

疏水冷面霜晶生长的有限扩散凝聚模型

为了深入了解霜晶的动态生长过程,以有限扩散凝聚模型为基础建立了疏水冷面霜晶二维生长模型.通过在表面上设置不同冰珠数量来模拟冷面不同疏水性能,无涂层金属表面则布满冰珠;采用粒子在网格节点上随机移动来描述水蒸气分子的运动,粒子沿各方向移动的概率相同.数值结果表明,霜晶动态生长的可视化结果与实验图像在形态上保持一致;树枝状霜晶具有分形特征,相应的分形维数为1.44～1.78,与实验值相近.疏水冷面霜晶生长缓慢且分布稀疏;采用疏水效果不好的冷面的结霜情况与金属表面相似.     

弹塑性接触变形下的接触热导分形模型

接触热导会对机械结构的热变形产生影响继而会导致加工工件的加工精度,为探寻接触热导产生的机理,基于接触分形理论,研究并提出了在考虑弹性-弹塑性-塑性完全接触变形机制下的接触热阻的分形理论模型,得出了接触热导的相关影响因素并得出了接触热导与其影响因素之间的关系,并通过对模型仿真计算结果与实验实例结果的比较,验证了所建模型的正确性。     

分形结构中介质渗透性对扩散过程的影响

土壤孔隙由于其不均匀的结构特征使得介质在其中的运移规律与理想输运行为有较大的区别,如:输运行为不符合经典的菲克定律。为了研究介质在土壤等不均匀结构中的扩散行为,本文建立Sierpinski分形地毯模型模拟土壤结构的异质性,并通过投放大量粒子进行随机行走研究土壤中污染物等介质的扩散规律。 文中我们选用同一种Sierpinski分形地毯模型,并取相同的起始投放点位置,粒子数量以及运动步数,以不同规则下粒子的随机运动模拟为手段,刻画不同介质条件下溶质的运动规律。根据分形结构中位移与时间的二阶矩关系,通过模拟计算、对比两种情况下的Hurst值,得到Hurst值的影响因素,从而得到分形结构中粒子的扩散规律。     

化学活性表面的分形研究

利用近十年来兴起的分形几何学,对固体表面进行了研究,指出固体表面的粗糙程度及不规则性可以用分形维数给予很好的定量描述,并给出了测定化学活性固体表面分形维数的方法。     

用扩张变换法测量金属断裂表面的分形维数

采用数学形态学中扩张变换的方法,对金属断口剖面迹线的分形维数进行了测量,并将结果与截岛法进行了比较。     

基于低表面能效应的疏水表面减阻机理

针对疏水表面功能材料在流动减阻方面的潜在应用,通过水洞实验研究了具有疏水表面航行器模型的阻力特性,获得了其减阻特性曲线,并得到了大于30%的实验室减阻效果.对疏水表面进行了表面能特性分析,认为表面组分中的-C-Si疏水基团引起了疏水表面的低表面能效应,是疏水表面具有减阻作用的直接原因.