疏水纳米SiO2对微管道流动特性的影响

通过微管道流动试验,探讨疏水纳米SiO2的降压增注机理.在微尺度流动中,由于表面积/体积非常大,液固界面性质对流动有很大影响.在不同管壁界面条件下,用超纯水在内径约为25μm的毛细管内进行流动特性试验.结果表明:相同压力下,经过油基疏水纳米SiO2试剂处理后,水在微管中的流量有了较明显地提高;疏水纳米SiO2吸附能够使微管管壁具有超疏水性,从而产生水流滑移效应,达到减阻增流效果.     

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.     

具有微纳结构超疏水表面的槽道减阻特性研究

目前一系列实验研究表明,在由一级微米结构或一级纳米结构构成的超疏水表面制成的槽道中,在层流的条件下,存在明显的减阻效应.但是以往的实验中,所采用的超疏水表面均是由一级微米结构或者纳米结构构成,并且流动槽道的尺度均是在微米量级,对于宏观尺度槽道中的流动减阻没有相应的研究.在本文中,首先介绍了一种全新的利用碳纳米管构建具有微纳二级结构的超疏水表面的方法,然后在由该表面构成的宏观尺度的槽道进行了流动阻力特性实验,实验发现由微纳二级结构构建的超疏水表面形成的宏观尺度槽道中,在层流条件下,依然具有减阻效应,且最大减阻达到36.3%.同时利用mirco-PIV技术对槽道内的流动速度进行了测量,与传统的壁面无滑移理论不同,在超疏水槽道内,发现在壁面处流体存在明显的速度滑移.     

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。     

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。     

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.     

改性纳米碳酸钙制备超疏水涂层

通过油酸改性纳米碳酸钙颗粒使其表面由亲水性变成了疏水性,改性后的纳米颗粒与低表面能的有机硅树脂聚二甲基硅氧烷经过混合陈化固化过程后在玻璃表面形成超疏水涂层.实验通过改性后的纳米粒子在聚合物介质上构造纳米/微米尺度的结构表面.用接触角测量仪和扫描电镜分别检测涂层的疏水性能和涂层的表面形态.实验结果表面涂层有优异的自清洁能力,平均静态水接触角达160°滚,动角为6°,涂层表面成功构造了纳米/微米的双重粗糙结构.该方法简单有效具有很大的应用前景.     

利用分形结构修饰疏水表面的研究

针对某种材料表面设计合理的粗糙结构是增大接触角进而提升材料疏水性的主要方法。通过理论分析无分形结构下水滴在硅树脂表面不同粗糙度下存在的Wenzel模型和Cassie模型2种接触状态关系以及接触角大小,得出同等接触角下Cassie状态粗糙表面更易修饰;对比分形结构对2种接触模型的作用效果,分形结构修饰后2种模型接触角均增大,且一定分形级数内Cassie接触状态接触角增幅明显。利用分子动力学模型仿真分析无分形结构以及存在二级分形结构时对Cassie状态接触角影响,取4种不同粗糙结构进行对比,仿真结果显示固体表面存在二级分形结构时,接触角增大约5°,将仿真结果与理论值相比较,误差约1%,对Cassie状态粗糙度修饰分形结构可提升疏水性。     

微纳米加工技术

无论是集成电路技术,还是微系统技术或纳米技术,其共同特征是功能结构的尺寸在微米或纳米范围,因此可以统称为微纳米技术。功能结构的微纳米化带来的不仅仅是能源与原材料的节省,而且导致多功能的高度集成和生产成本的大大降低。微纳米技术依赖于微纳米尺度的功能结构与器件。实现功能结构微纳米化的基础是先进的微纳米加工技术。本书作者力求全面介绍微纳米加工方面的各种技术,并且介绍了微纳米加工技术的最新进展。     

纳微米双相颗粒增强陶瓷基复合材料力学性能的数值模拟

以包晶型(纳米颗粒包围微米颗粒)和内晶型(纳米颗粒嵌于微米颗粒中)2种分布状态的特征体积单元为研究对象,利用整体-局部均质化方法从数值分析的角度计算了复相陶瓷材料中纳米颗粒与微米颗粒的排列方式、体积比、粒径比、界面特征等纳微观结构特性对纳微米颗粒增强陶瓷基复合材料有效弹性模量的影响。结果表明纳微米颗粒呈包晶型分布状态时,随体积百分比的增加,有效模量增大较为显著;与矩形特征体积单元相比,六边形情况估算有效弹性模量偏高;纳微米颗粒粒径比越小,颗粒分布越均匀,有效弹性模量越大;微观颗粒与基体间的界面损伤比纳观颗粒与基体的界面损伤更易于导致材料的有效刚度降低。从晶粒细化特征及显微结构等因素解释合理的纳微观复相颗粒分布对陶瓷基复合材料的有效弹性模量的改善效应。     

Antifogging properties and mechanism of micron structure in Ephemera pictiventris McLachlan compound eyes

An antifogging function surface with simple structure and suitable for large-area production was found inspired by Ephemera pictiventris McLachlan compound eyes. The compound eyes structure, antifogging properties and mechanism were studied by anti-fog test, dyeing test and scanning electron microscopy, and so forth. Then, 3D model of the sample was established, and the antifogging mechanism was explained by the Cassie model. Results showed that the compound eyes are composed of hundreds of micron size ommatidia arranged in curved array form, and this structure shows excellent antifogging function. This research may provide new ideas for design of simple structure and micron size antifogging function surface. This work is also expected to be applied to antifogging function surface of astronaut helmets and medical endo- scopes, and so forth.     

Superhydrophobicity from microstructured surface

Surface wettability, as one of the most essentialproperties of solid surface, is a very common interfacephenomenon in our daily life and nature. It takes place ina variety of activities of all creatures in nature, and alsoplays a key role in our daily life and industrial and agri-cultural applications. Surface wettability can be measuredby contact angle (CA). Basically, surface with a CA ofwater lower than 90° can be called a hydrophilic surface,while the CA of a hydrophobic surface is grea…     

高分子液滴碰撞的耗散粒子动力学模拟

利用耗散粒子动力学模拟了剪切流中两个变形的高分子液滴相互碰撞过程.高分子液滴由多根有限拉伸非线性弹性珠簧链(FENE链)构成.研究了碰撞分离和碰撞聚合两种情形.讨论了由于剪切流导致的液滴自扩散现象.除了Ca与粘性比之外,液滴之间的界面张力系数对于两个液滴碰撞后聚合或者分离过程有重要的影响.当液滴之间存在界面张力,一定条件下可形成复合液滴.剪切流条件下,组成复合液滴的两个子液滴会出现相互翻滚现象.     

Static and dynamic characterization of droplets on hydrophobic surfaces

We report on our study of the static and dynamic wetting property of hydrophobic surfaces with micro-and dual micro/nano-scale structures.Simulations based on the lattice Boltzmann method showed that the apparent contact angle of water droplets on hy-drophobic surfaces with micro-scale structures increases as solid area decreases,whereas dual micro/nano-scale structures not only increase surface hydrophobicity but also greatly stabilize the Cassie state of droplets.Droplets falling on a superhydrophobic surface distort and,depending of free energy,sometimes bounced on the surface before finally adhering to the surface.These phenomena are in agreement with experimental observations.Simulated results also show that micro/nano-scale surface structures can increase droplet rebound height,which depends on static apparent contact angle.     

湿蒸气汽轮机叶栅通道内雾滴扩散沉积特性分析

引起湿蒸气汽轮机叶片侵蚀的大水滴是由于雾滴在汽轮机叶片表面上的扩散沉积而产生的．因此，雾滴扩散沉积率的大小对大水滴在湿蒸气中所占的比例及叶片的侵蚀速度有很大的影响．采用边界层内质量传递与动量传递的比拟理论及其半经验关系式，计算并分析了湿蒸气汽轮机叶栅通道内不同尺寸雾滴的扩散沉积特性，以及压力、汽流速度和叶栅节距等参数对扩散沉积率的影响．计算与分析的结果对汽轮机防蚀装置的设计具有一定的参考意义     

仿鲨鱼皮微沟槽结构疏水机理实验研究

从理论分析和实验测量两个方面对鲨鱼皮微沟槽结构的疏水性进行了研究.首先,利用扫描电子显微镜和表面轮廓仪对鲨鱼皮的微观结构进行研究,并结合基本的疏水理论,建立了Cassie修正模型,Cassie修正模型从理论上揭示了鲨鱼皮微沟槽结构的疏水机理.其次,采用对比实验,利用液滴形状测量仪分别对真空浇铸法制备的硅橡胶仿鲨鱼皮表面和光滑硅橡胶表面的接触角进行了测量.研究发现,硅橡胶仿鲨鱼皮表面具有明显的疏水性,同时,仿鲨鱼皮表面接触角的实际测量值与Cassie修正模型计算的理论值之间的误差仅为3.1%,也证明了所提出的Cassie修正模型的正确性和有效性.     

区域交通状态分析的时空分层模型

为了解决区域交通状态分析问题,提出了一种区域交通状态时空分层模型及其建立方法。根据区域交通状态分析需求,设定交通拥堵的不同截值,把路口状态划分为不同层次,建立了时空分层模型。该模型含盖了交通网络的微观、中观和宏观交通参数,包含交通网络时空信息和交通状态信息,得到路口可达性和路段连通性的分析结果,解决了目前区域交通状态自动分析中模型建立问题。仿真结果表明:分层模型能够把路网中不同交通状态的路口分离为具有不同可达性的层次,能够从中分析出路口可达性、路段连通性和路网交通状态的变化,并能够直接表示时空状态信息。该建模方法和分析方法可以直接用于交通状态的自动分析中,所提出分层模型也可用到交通诱导和交通控制中。     

Self-directed self-assembly of nanoparticle/copolymer mixtures

The organization of inorganic nanostructures within self-assembled organic or biological templates is receiving the attention of scientists interested in developing functional hybrid materials. Previous efforts have concentrated on using such scaffolds to spatially arrange nanoscopic elements as a strategy for tailoring the electrical, magnetic or photonic properties of the material. Recent theoretical arguments have suggested that synergistic interactions between self-organizing particles and a self-assembling matrix material can lead to hierarchically ordered structures. Here we show that mixtures of diblock copolymers and either cadmium selenide- or ferritin-based nanoparticles exhibit cooperative, coupled self-assembly on the nanoscale. In thin films, the copolymers assemble into cylindrical domains, which dictate the spatial distribution of the nanoparticles; segregation of the particles to the interfaces mediates interfacial interactions and orients the copolymer domains normal to the surface, even when one of the blocks is strongly attracted to the substrate. Organization of both the polymeric and particulate entities is thus achieved without the use of external fields, opening a simple and general route for fabrication of nanostructured materials with hierarchical order.     

辛醇对PVDF膜表面浸润性与透过性能的影响

以聚偏氟乙烯（PVDF）／N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）／辛醇／水为制膜体系,采用干、湿相转化法制膜．考察了辛醇含量对膜结构、表面浸润性和透过性能的影响．结果表明,辛醇的加入使成膜过程中液．固分相在与液一液分相的竞争中占据优势,随着辛醇含量的增加,膜结构由海绵状结构向球晶堆积结构转变,当辛醇含量增至10％时,生成“菜花状”球晶粒子堆积的对称结构,其表面具有微纳二重特征,对水的接触角可达140°;实验范围内PVDF膜下表面的疏水性随铸膜液中辛醇含量的增加先增大后略有下降,膜的气通量随铸膜液中辛醇含量的增加先增大后减小所制得的高度疏水膜可望成为气液膜接触器的理想膜材料．     

模拟图象信号与数字信号混合传输系统──三元码跟踪双环的研究

提出了在模拟图象信号与数字信号混合传输中用于捕获和跟踪带钟复合码的跟踪双环方案。分析了双环系统的捕获性能。理论分析和实验结果表明：双环系统不仅捕获时间短而且具有强的抗干扰能力。