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微结构表面液滴的快速回弹机理及实验研究

徐振雄  
【摘要】:在自然界中,经常能观察到一些奇特的现象。比如雨后天晴的荷叶表面,不会被雨水浸染而只在叶片中心留下晶莹剔透的露珠;湖中嬉戏的天鹅,即便在水中浮浮沉沉身上羽毛却依然保持干净整洁、风度翩翩。经过长久的探索发现,植物的叶片、动物的羽翼或鳞片等表面所覆盖的各种图案化阵列结构,使其表面呈现出了各种特殊的润湿性质,如亲水性、超疏水性等。藉由仿生工程技术的发展,研究人员做了大量关于仿生微结构表面的润湿工作,然而,绝大多数的工作都只是针对静态润湿行为展开的,对于液滴在微结构表面的动态回弹润湿性的研究还不够完善。而能实现液滴快速回弹行为的微结构表面,不论是在大型工程设备的防水防腐蚀上、还是在低温环境下工作的施工设备的抗结冰上,或是人们日常生活物件的自清洁上,均具有良好的应用价值。因而分析液滴在材料表面的快速回弹行为,将对于提高工程上设备的安全性、适用性和耐久性等具有重要的研究意义。本文从超疏水锥形阵列表面上的液滴快速饼状回弹情形出发,以基底的微结构尺寸、形貌及材料的柔性着手,从理论和实验两个角度对液滴在锥形微结构表面所发生的饼状回弹范围、回弹时间及性能优化等方面进行了较为系统的研究,并针对液滴从表面快速回弹的工程应用做了简单的实验设计。本文的主要研究内容如下:(1)通过热力学理论和能量法研究了液滴在超疏水锥形阵列表面的润湿特性及饼状回弹情形,并探讨了限制液滴发生饼状回弹的静态润湿性、回弹能量及回弹时间尺度这三种限制条件。以理论计算给出液滴在超疏水锥形阵列表面各个尺寸形貌上的回弹相图及回弹时间,得出了通过调控锥形微结构尺寸间距从而能够调控液滴的饼状时间及回弹能量的结论。(2)从实验的角度出发,设计并制备了具有不同尺寸间距的超疏水锥形阵列表面,观察分析液滴的实际动态回弹行为得出不同微结构尺寸表面上液滴的回弹规律,并通过实验验证了前面理论推导的正确性。此外还分析了液滴大小和锥形微结构尺寸间距对液滴回弹规律的影响,给出了液滴发生快速饼状回弹所需满足的液滴体积大小与锥形微结构尺寸间距之间的定量关系。(3)研究锥形微结构表面材料自身的柔性对液滴回弹的影响。通过理论分析液滴在柔性超疏水锥形阵列表面的回弹情形,探讨了如何通过改变锥形微结构的柔性从而扩大液滴发生饼状回弹的范围及缩短液滴的回弹时间。此外,通过实验制备了具有不同弹性模量的微结构表面来验证理论分析的正确性,研究表明改变微结构弹性模量可有效缩短液滴的饼状回弹时间及其所需的回弹能量。(4)研究两端固定,底部悬空的具有锥形阵列的薄膜结构表面上液滴的回弹情形。首先通过理论分析液滴在这种薄膜结构上的回弹行为,给出了可能的几种预测情景。然后,通过夹具将表面具有锥形微结构的超疏水薄膜固定,形成了薄膜两端固定,底部无载体支撑的简易薄膜结构进行液滴的回弹实验研究。最后,对薄膜施加外加机械应变,从而起到了对液滴的饼状回弹时间进行有效调控的作用。(5)分析了不同种类的液滴所对应的表面张力、粘度以及密度等参数对其回弹情形的影响。将能够实现液滴快速饼状回弹的超疏水锥形阵列表面、普通疏水表面及普通超疏水表面这三种表面分别进行了液体的浸泡实验、液滴的滴加实验、流体射流实验以及喷洒实验。通过实验对比,得出超疏水锥形阵列表面相比较于其他两种表面而言,具有更为优异的疏水性、自清洁性的结论。综上所述,本文首先结合理论和实验,较为全面的分析了液滴在锥形微结构表面上的回弹情形,给出了不同微结构尺寸间距下液滴的快速回弹范围相图以及准确地预报了液滴回弹时间与微结构尺寸间距的关系。然后,进一步考虑了微结构表面材料弹性模量及支撑方式对液滴回弹的影响,通过材料柔性化与薄膜结构的固定方式实现了液滴饼状回弹范围的扩大以及回弹时间的缩短。最后,将该表面与普通疏水表面、普通超疏水表面进行实验对比,证明了该表面在自清洁方面具有潜在优势。本论文的理论及实验结果对于仿生微结构表面在自清洁、抗结冰及防水防腐蚀等许多领域都能起到良好的指导与借鉴作用。


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