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.     

超快激光制备超疏水超亲水表面及超疏水表面机械耐久性

近年来,受大自然的启发,具有特殊润湿性的仿生结构表面因其在日常生活和工业生产领域的广阔应用前景引起了研究者的广泛关注.同时,超快激光的快速发展为材料表面结构的加工提供了新的强大工具,在超疏水或超亲水表面结构的制备方面取得了一系列突出的成果.但迄今为止,已经商业化的超疏水表面仍然非常有限,其中关键的问题是超疏水表面的机械耐久性问题.本文基于超快激光加工方法,总结了仿生微纳结构制备和应用方面的最新研究进展,重点介绍了几种具有特殊润湿性的疏水和亲水表面结构,并对超疏水表面的机械耐久性问题及其测试方法进行了阐述和总结,最后讨论了该领域存在的一些问题及未来的发展方向.     

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.     

利用红外热像研究不同浓度腐蚀液中GaAs 的反应启动时长

提出了一种测定材料湿法刻蚀启动时长的红外热成像新方法. 该方法的实质是利用反应启动时必然有化学热吸收或释放, 从而引起材料表面液膜温度变化这一特点, 通过红外热成像实时监测系统, 采集液膜温度变化过程的红外热像, 从而判断反应启动时长. 实验发现, 2 mm宽线形液膜是较为理想的监测对象, 因其同时具备温度变化信息和空间分布信息, 可以将线形液膜中心作为理想的观测特征点; 由滑动液滴形成残留线形液膜可以得到超浅液膜, 温度变化灵敏度高, GaAs竖直放置, 可以避免液膜重力对启动时长的影响, 获得更为准确的监测数据. 在本实验条件下, 由线形液膜的横向剖面灰度变化得到GaAs材料与H2SO4:H2O2:H2O(= 5:1:50和15:3:50)腐蚀液的反应启动时长分别约为0.2 s和0.3~0.4 s之间. 该方法的提出, 对于快速刻蚀技术以及固-液吸附等性能研究均具有重要价值.     

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.     

基于腹色蜉复眼防水汽机理的仿生功能表面

研究了腹色蜉复眼表面的防水汽功能,利用扫描电子显微镜(SEM)及激光共聚焦显微镜(CLSM)表征了其表面结构,在此基础上借助Cassie模型解释了其防水汽机理.利用激光干涉光刻技术(LIL)及胶体刻蚀技术(CL)制备了人工腹色蜉复眼表面并进一步研究了其表面防水功能,同时讨论了其防水功能的影响因素及作用规律.结果表明腹色蜉复眼表面本征接触角越大,小眼上下半径比越小,防水功能越强.特征尺寸为350 nm的类腹色蜉复眼结构优化表面其静态水接触角为160°±5°,滚动角约2°,呈超疏水状态,具有优良的防水、自洁功能.该研究旨在应用于新型防水、防雾材料表面的研发.     

疏水链长和温度对阳离子单链和Gemini表面活性剂的自组装以及与牛血清蛋白相互作用的影响

利用等温滴定微量热方法研究了疏水链长和温度对六亚甲基-1,6-双(烷基二甲基溴化铵)(C_nC_6C_nBr_2)和烷基三甲基溴化铵(C_nTAB)这两个系列表面活性剂的自组装以及与牛血清蛋白(BSA)相互作用的影响.结果表明,随着疏水链增长,表面活性剂胶束化焓值(DH_(mic))变得更负,胶束化自由能(DG_(mic))的变化主要来自于胶束化熵变(DS_(mic)).温度对表面活性剂的临界胶束浓度(CMC)影响不大,但对DH_(mic)影响较大,在所研究的温度区间内的DH_(mic)都是负的,而TDS_(mic)是正的,并且TDS_(mic)的绝对值明显大于DH_(mic)的绝对值,证明这些表面活性剂的胶束化过程都是熵驱动为主的.随温度升高,焓对胶束化过程的贡献越来越大,而熵贡献越来越小.多数表面活性剂与BSA相互作用的量热曲线呈现两个吸热过程和两个放热过程.疏水链长的变化会显著影响第二个吸热过程和第二个放热过程.温度会显著影响第二个吸热最大值的出现和强度.相比于单链表面活性剂与BSA之间的相互作用,疏水链长和温度对Gemini表面活性剂与BSA之间相互作用的影响更显著.     

类水稻叶多尺度表面构筑与各向疏水性

采用高速电火花线切割加工方法与电刷镀工艺结合在铝合金表面构筑了类水稻叶多尺度层级结构表面.利用扫描电子显微镜(SEM)、激光共聚焦显微镜(LSCM)、X射线衍射仪(XRD)和接触角测量仪表征表面的形貌结构、物相组成和润湿特性.结果表明,电刷镀获得的双尺度(微-纳米)微观结构对表面疏水性起关键作用,而高速电火花线切割加工获得的规则排列亚毫米级槽棱结构进一步放大了其平槽方向表面的疏水性能,使其未经任何化学修饰即获得优异的超疏水特性,接触角可以达到151°,且展现平槽和垂槽方向不同的疏水特性.这一研究将对各向异性功能材料结合超疏水材料的应用起到一定的指导意义.     

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.     

重离子导致的空洞研究

Chang等在用高剂量(10~(18)cm~(-2))离子辐射材料时观察到空洞。Grant认为空洞形成的温度范围在0.25T_M至0.5T_M之间(T_M是材料的熔化温度)。在温度低于0.25T_M、剂量低于10~(18)cm~(-2)的条件下,至今尚未观察到离子注入导致的空洞。我们采用强束流钨离子注入H13钢(0.35C 6 Cr 1.5MoV),发现当注入束流达到30μA·cm~(-2)时,离子注入能在H13钢表面形成一定尺寸的空洞。实验中所用的H13钢样品在离子注入     

利用约束刻蚀剂层技术提高硅的化学刻蚀分辨率

高分辨率刻蚀技术对于微机械及微电子器件的加工具有十分重要的意义.虽然光刻技术仍处于主导地位,但近年来许多新颖的微加工方法相继问世.其中,扫描电化学显微镜(SECM)用于表面加工的研究颇受注目.SECM刻蚀的主要原理是,利用精密定位系统使微电极接近样品表面,微电极电生刻蚀剂,刻蚀剂扩散到样品表面发生刻蚀反应,产生刻蚀图样.SECM刻蚀分辨率主要取决于微电极的尺寸,但刻蚀剂的横向扩散往往会对SECM的分辨率产生较大影响最近,田昭武等人提出了一种可进行高分辨率微加工的新方法——约束刻蚀剂层技术(CELT).其主要思路是在溶液中加入可与电生刻蚀剂快速反应的“捕捉剂”,使刻蚀剂的寿命大幅度缩短,其扩散层急剧变薄,从而可使刻蚀反应具有高度的距离敏感性,刻蚀分辨率得到极大改善.     

远程和直接射频氩等离子体对医用PVC进行表面改性

采用远程和直接射频(RF)氩等离子体对医用聚氯乙烯(PVC)进行表面改性, 通过扫描电子显微镜(SEM)观察, 接触角测量和X射线光电子能谱分析(XPS)等方法, 研究了改性前后材料表面结构性能的变化, 分析了远程和直接RF氩等离子体处理效果不同的原因. 结果表明, 经远程和直接RF氩等离子体处理后, 材料表面微观样貌和表面化学成分发生变化, 在PVC表面引入了含氧和含氮基团, 使得材料表面极性改变, 提高材料表面润湿性. 远程RF氩等离子体抑制了电子和离子的刻蚀作用, 强化了自由基反应, 改性效果优于直接RF氩等离子体, 进一步提高了PVC表面的润湿性.     

芯片表面异氰酸酯基硅烷自组装膜的制备及表征

利用分子自组装技术在玻璃芯片表面成功组装了异氰酸酯基硅烷单分子膜. 采用X射线光电子能谱仪对自组装膜表面的元素组成进行了表征, 并利用接触角测定仪对薄膜表面的润湿性进行测定. 结果表明, 异氰酸酯基硅烷在基底表面得到了成功组装, 其疏水性较组装前有所提高, 对水的接触角可以达到80°, 明显改变了芯片表面的性质. 将该自组装膜应用于牛血清白蛋白的自组装, 不仅制备过程简单, 而且具有操作方便等优点. 因此, 异氰酸酯自组装膜在微全分析技术(μ-TAS)中的微通道修饰, 蛋白质、多肽等生物大分子的固定化, 以及材料表面改性等方面均具有很好的应用前景.     

塔式太阳能熔盐腔体吸热器一体化光热耦合模拟研究

首先采用蒙特卡罗光线追迹与杰勃哈特方法结合的混合光学模拟方法对塔式聚光集热系统中太阳辐射传播的全过程进行了完整描述,准确获得了全镜场条件下吸热表面非均匀的能流分布.在此基础上对熔盐腔体吸热器进行了一体化光热耦合模拟,重点分析了非均匀能流分布条件下熔盐流动布置方式对吸热性能的影响,同时考察了不同时刻条件下的吸热性能,结果表明:腔体吸热器吸热表面的能流分布表现出强烈的非均匀性,在这种非均匀的能流分布条件下,熔盐的流动布置方式会对吸热器性能产生显著的影响.当熔盐从能量密度高的区域流入,温度迅速升高,整个吸热面处于较高的温度水平,热损失较大,且会在熔盐出口处会出现熔盐加热吸热管的"吸热恶化"现象;当熔盐从能量密度低的区域流入,温度缓慢升高,整个吸热面处于相对较低的温度水平,热损失较小,能够获得更多的高温熔盐.另外,反射损失随时间变化显著,热损失随时间变化不显著.     

玉米秸秆油污吸附剂的制备及其在油水分离中的应用

以玉米秸秆为原料,粉碎后浸涂ZnO溶胶并经辛基三甲氧基硅烷(OTS)修饰后呈超疏水性和超亲油性,水滴在其表面的接触角为158.6°,滚动角小于5°,而油滴在其表面则完全铺开.利用玉米秸秆粉表面的超疏水性和超亲油性,可将其用于水面油污的过滤、吸附、分离及循环利用,其对油水混合物中油、水的分离效率分别为98.0%和99.6%.相关研究有望为玉米秸秆的加工、利用及油污吸附剂的制备提供新的思路.     

喷砂-电刷镀制备疏水耐腐蚀复合结构

采用喷砂-电刷镀相结合的方法,在碳钢表面制备出具有疏水耐腐蚀性能的微-纳复合结构.在最佳工艺参数下,获得接触角达到149.3°±2.5°的疏水表面.对喷砂-电刷镀相结合制备试样表面形貌、接触角以及耐腐蚀性进行表征.结果表明:喷砂与电刷镀结合工艺构筑的表面复合结构具有优异的疏水特性和良好的耐腐蚀性,且试样表面的平均腐蚀电流密度下降1~2个数量级,腐蚀电位也均有所提高.可见,通过在碳钢表面设计喷砂-电刷镀结合工艺构筑微-纳复合结构可以获得优异疏水耐腐蚀特性.     

复合薄膜CoFe_2O_4/TiO_2的制备及磁性

以钛酸丁酯和金属盐酸盐为原料,采用溶胶-凝胶工艺制备CoFe2O4/TiO2复合薄膜.探讨热处理温度和前驱液pH值对CoFe2O4/TiO2复合薄膜结构及磁性的影响.通过X射线衍射(XRD)分析了复合薄膜的相结构;采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和偏光显微镜(PLM)观测了薄膜表面形貌;用振动样品磁强计(VSM)测试了样品的磁性.结果表明,薄膜生长过程中两相组分的晶体各自析出长大,CoFe2O4均匀地嵌埋于TiO2基体中;薄膜中晶粒的生长对反应体系的pH值、热处理温度依赖性较大,前驱液pH在2~3范围内,经800℃热处理后得到纳米复合薄膜,晶粒平均粒径为19nm;随着热处理温度的升高,复合薄膜的磁性增强.     

局域环境对Tm3+掺杂透明氟氧化物玻璃陶瓷荧光光谱温度特性的影响

通过变温条件下选择激发掺杂发光离子, 在同一样品中实现了不同局域环境下离子荧光的光谱分离. 利用频域及时域的光谱学测量, 研究了镶嵌有纳米晶体的透明玻璃陶瓷体系中掺杂离子的荧光性质和弛豫过程随样品温度和离子局域环境的变化规律, 探讨了局域结构变化对荧光温度特性的影响. 根据样品结构和基质声子分布特点, 分析讨论了荧光衰减过程二阶指数行为. 结果显示, 位于晶相环境中离子的荧光寿命显示较强的温度依赖特性, 而玻璃环境中发光离子的荧光寿命受温度影响较小.     

彩色溶致液晶的研究

在新型阳离子表面活性剂3-对壬基苯氧基-2-羟丙基三甲基溴化铵(NPTAB)-正丁醇-水组成的三元体系中, 利用偏光显微镜观察到色彩绚丽的溶致液晶纹理. 通过核磁共振(²H NMR)、小角X射线衍射(SAXS)并与纹理照片对照, 确定了该体系的液晶结构类型, 由差示扫描量热(DSC)测定证实了液晶结构的转化. 初步考查了液晶层厚度、温度和时间等因素对液晶颜色的影响.