微矩形凹槽表面液滴各向异性浸润行为的研究

受自然界启发,仿生微结构被广泛用于调控固-液界面的性质.研究显示,液滴在微结构表面的各向异性浸润行为可用于实现微流动方向和速度的控制,且其各向异性浸润与微结构的尺寸和分布等密切相关.本文研究了微矩形凹槽尺寸对液滴各向异性浸润行为的影响规律.结果显示,液滴沿平行沟槽的方向具有较小的运动阻力、易铺展,因此具有较小接触角;而垂直于沟槽方向,由于沟槽的阻隔作用具有较大运动阻力,因而具有较大接触角,并且在垂直方向液滴的浸润过程是三相线一系列钉扎和跳跃行为.在微矩形凹槽表面,液滴沿平行方向接触角θ//与肋板宽度R和凹槽宽度G密切相关,其值与表面固体面积比成反比;而垂直于沟槽方向的接触角θ⊥随肋板宽度R和凹槽宽度G变化基本保持不变.同时各向异性液滴的变形比L/W、特征方向接触角比值θ⊥/θ//与表面固体面积比成正比.研究结果有助于加深理解微结构表面浸润行为的机制,并为微矩形凹槽在微流动控制方向的应用提供技术支持.     

亲水性微观粗糙表面润湿状态转变性能研究

以亲水性微观粗糙表面上不同几何形貌及分布的微柱阵列为对象, 讨论了液滴在亲水性粗糙表面上的润湿过程以及润湿状态的转变阶段. 从能量角度分别考察了微观粗糙结构几何形貌及分布、微柱几何参数、固体表面亲水性、接触角滞后作用等因素对液滴润湿状态转变的影响规律. 研究发现: 在亲水粗糙表面, 正方形微柱呈正六边形阵列分布时, 液滴更容易形成稳定的Cassie状态, 或者液滴仅发生Cassie状态向中间浸润状态的转变; 与此同时, 减小微柱间距、增大方柱宽度或圆柱直径、增大微柱高度、增强固体表面的亲水性将有利于液滴处于稳定的Cassie状态, 或阻止润湿状态向伪-Wenzel或Wenzel状态转变; 然而, 当液滴处于Cassie状态时, 较小的固-液界面面积分数或减弱固体表面亲水性能均有利于增大液滴的表观接触角, 因此在亲水表面设计粗糙结构时应综合考虑润湿状态稳定性和较大表观接触角两方面因素; 此外, 接触角滞后作用对于液滴状态的稳定性以及疏水性能的实现具有相反作用的影响. 研究结果为液滴在亲水表面获得稳定Cassie状态的粗糙结构设计方法提供了理论依据. 关键词： 亲水表面 微观粗糙结构 表面自由能 润湿状态转变     

疏水性润湿梯度表面液滴脱离过程的实验研究

基于标准MEMS工艺设计并加工了一种具有微结构的疏水润湿梯度表面,通过光学可视化测试系统,采用高速图像采集装置和标准振动台研究了液滴与润湿梯度表面脱离过程中,形态、接触角、受力等参数的变化规律。结果表明:液滴在与疏水润湿梯度表面脱离过程中,将出现拉伸现象,处于相对疏水侧的边缘脱离速度要快于处于相对亲水侧。脱离过程中液滴高度、宽度和接触角变化可明显分为两个区域,两区域内液滴高度、宽度和左右两侧接触角变化呈现出显著不同。通过液滴与微结构顶部间受力分析发现,润湿梯度造成的液滴受力不均是导致液滴边缘脱离速度出现不对称的原因。     

基于异形微结构表面的低表面能工质液滴润湿特性研究

尺寸效应是探索异形微结构表面液滴润湿特性的研究基础。本文以单凹角异形微结构和双凹角异形微结构为研究对象,通过数值模拟,得到了微结构的几何参数尺寸与低表面能液滴润湿特性间的变化规律。对于单凹角异形微结构,临界本征接触角随着悬臂长度减小呈指数增加,微结构间的间距直接影响着表观接触角的大小,悬臂高度的增加不利于疏液状态的实现。对于双凹角异形微结构,悬臂长度和悬臂高度不是影响液滴润湿的主要因素,微结构间的间距和支柱高度共同作用下决定了液滴润湿状态。     

微观结构尺度对液滴润湿状态的影响

在分析表面微观特征对液滴润湿状态的影响时,尺度效应是无法绕过的前提条件和分析基础。本文以矩形微结构表面液滴为研究对象,通过数值模拟,得到了给定微结构表面液滴在不同液滴半径与矩形微结构宽度比例下的润湿状态。此外,本文还模拟得到了液滴完全浸润矩形微结构的临界接触角及其相对于微结构尺寸的变化规律。结果表明,液滴半径与微结构宽度比越小,液滴下气液界面开始浸润微结构时的临界接触角越大,无重力条件下表面液滴下气液界面的稳定性越差。若重力不可忽略,则液滴半径与微结构宽度比越大,重力的影响越大,表面液滴下气液界面的稳定性越差。     

正癸烷纳米液滴润湿特性的分子动力学研究

流体液滴在固体表面的浸润性对其润滑性能至关重要.本文利用分子动力学方法研究了正癸烷纳米液滴在铜表面上的润湿特性.结果表明：在平坦光滑表面上,壁面的厚度和分子数目对润湿效果影响不大.随着壁面能量势阱参数εs 增大,接触角线性减小.随着温度升高,液滴的接触角减小.在沟槽粗糙表面上,随着粗糙度因子增大,对于疏液表面,接触角增大到一定值后基本保持不变,符合Cassie理论;中性和亲液表面接触角则会减小,为Wenzel润湿模式.当表面分数增大时,疏液与亲液表面接触角整体呈减小的趋势,对中性表面影响不大.当温度升高时,粗糙疏液表面接触角会增大,润湿效果更差,而粗糙中性和亲液表面液滴润湿性会更好.     

表面微结构对液滴三相线移动行为影响研究

为研究表面微结构对液滴三相线移动行为的影响，采用标准MEMS工艺在硅基表面加工出了具有不同尺寸及间距的柱状微结构疏水表面。通过多角度光学可视化实验系统，研究了液滴蒸发时，不同微结构区域内液滴三相线移动行为，分析了微结构尺寸及间距对三相线移动特性和蒸发模式的影响。结果表明：处于不同微结构阵列上的液滴在蒸发过程中将出现三相线的非对称移动，液滴两侧出现不同的蒸发模式，且在后退接触角较小的一侧出现了一种不同于目前三种蒸发模式的现象-三相线固定，接触角呈周期性锯齿状波动，最后基于能量原理分析了液滴三相线移动所需能量与后退接触角之间的联系，解释了产生上述行为的原因。     

纳米结构超疏水表面冷凝现象的三维格子玻尔兹曼方法模拟

采用三维多相流格子玻尔兹曼方法 (lattice Boltzmann method, LBM),对纳米结构超疏水表面液滴的冷凝行为进行模拟研究.通过Laplace定律和光滑表面的本征接触角理论对三维LBM模型进行定量验证.模拟分析了超疏水表面纳米阵列的几何尺寸和润湿性的局部不均匀性对冷凝液滴形核位置和最终润湿状态的影响规律.结果表明,较高的纳米阵列使液滴在纳米结构间隙的上部侧面和底部优先形核长大,通过采用上下不均匀的间隙可避免液滴在底部形核长大,而在上部侧面形核的冷凝液滴在生长过程中向上运动,其润湿状态由Wenzel态转变为Cassie态;较低的纳米阵列使液滴在纳米结构底部优先形核长大,液滴的最终润湿状态为Wenzel态;润湿性不均匀的纳米结构表面使液滴在阵列顶端亲水位置处优先形核长大,成为Cassie态.冷凝液滴在不同几何尺寸的纳米结构表面上的最终润湿状态的模拟结果与文献报道的实验结果符合良好.通过模拟还发现,冷凝液滴在生长过程中的运动行为与液滴统计平均作用力的变化有关.本文的LBM模拟再现了三维空间中液滴的形核、长大和润湿状态转变等物理现象.     

纳米液滴撞击柱状固体表面动态行为的分子动力学模拟

液滴撞击固体表面是一种广泛存在于工农业生产中的现象.随着微纳技术的发展,纳米液滴撞击行为的定量描述有待完善.采用分子动力学模拟纳米水滴撞击柱状粗糙铜固体表面的动态行为.分别在液滴速度为2—15?/ps,五种方柱高度和六种固体表面特征能的情况下分析液滴的动态特征.结果表明,随着液滴初始速度V_0的增加,其最终稳定状态先由Cassie态(V_0=2—3?/ps)转变为Wenzel态(V_0=4—10?/ps),然后再次呈现Cassie态(V_0=11—13?/ps).当V_0 13?/ps时,液滴发生弹跳.液滴最大铺展时间t_(max)与V_0关系曲线中存在拐点,并针对不同速度区域提出t_(max)与V_0的关系式.随着方柱高度的增加,液滴的稳定状态由Wenzel向Cassie态转变,液滴稳定状态的铺展半径逐渐减小.固体表面特征能e_s的增大使得液滴的铺展能力增强,液滴铺展后的回缩现象逐渐减弱直至消失.     

梯度表面能材料上液滴运动特性实验

对水平和30°倾角放置梯度表面能材料表面上液滴运动特性进行了可视化实验,分析了液滴在梯度表面上运动速度的变化规律,以及液滴大小和表面倾角对运动速度变化的影响.实验结果表明:在梯度表面能材料上,液滴能获得较大的宏观运动速度,并可以沿30°倾角放置的梯度表面材料上自下而上的运动;大液滴较小液滴的峰值运动速度大,运动距离更远;液滴在运动过程中出现蠕动的现象.     

稳定超疏水性表面的理论进展

自然界中很多动植物都具有稳定的超疏水性, 它们既拥有高接触角, 又拥有低滚动角, 且能长期稳定存在.通过对它们的研究, 发现表面的润湿性与表面的化学成分、表面的几何形貌有关, 并且表面几何结构的影响更为显著, 甚至可以实现由亲水性表面向超疏水转变. 虽然目前在这个领域已经有大量的实验验证了表面粗糙结构的重要作用, 但是对于表面微纳米结构对表面疏水性机理的理论研究还并不完善. 本文详细介绍了超疏水表面的基本理论及其适用性、 接触角滞后现象, 分别从经典理论和能量的观点探讨了润湿状态转化发生的条件, 重点介绍了通过仿生理念对表面几何形貌的优化设计, 包括单尺度和多尺度表面结构对于设计稳定超疏水表面的作用. 最后, 对超疏水理论的不足和未来发展进行了展望. 关键词： 超疏水 仿生 接触角 滞后     

Wetting property of smooth and textured hydrophobic surfaces under condensation condition

Static and dynamic wetting behaviors of sessile droplet on smooth, microstructured and micro/nanostructured surface under condensation condition are systematically studied. In contrast to the conventional droplet wetting on such natural materials by dropping, we demonstrate here that when dropwise condensation occurs, the sessile droplet will transit from the Cassie-Baxter wetting state to the Wenzel wetting state or partial Cassie-Baxter wetting state on the microstructured surface or the micro/nanostructured surface, which leads to a strong adhesion between the droplet and the substrate. In contrast, the apparent contact angle and the sliding angle on the smooth surface changes a little before and after the condensation because of small roughness. Theoretical analysis shows that the roughness factor controls the adhesion force of the droplet during condensation, and a theoretical model is constructed which will be helpful for us to understand the relationship between the adhesion force and the geometry of the surface.     

微纳复合结构表面稳定润湿状态及转型过程的热力学分析

自然界中的微纳复合结构超疏水表面由于其独特的润湿性质引起了人们的广泛关注, 大量实验研究表明了仿生人工微纳复合结构表面润湿性能的优越性, 然而液滴在微纳复合结构表面的润湿状态和转型过程的理论研究还并不完善. 本文首先用热力学方法分析了液滴在微纳复合结构表面可能存在的所有状态(四种稳定润湿状态和五种亚稳态到稳定态转型中的过渡态), 推导出了相应的能量表达式及表观接触角方程; 基于最小能量原理, 确定液滴在微纳复合结构表面的稳定状态, 较以往模型相比, 能够更好的预测已有的实验结果; 其次研究了微纳结构尺寸对稳定润湿状态和亚稳态到稳定态转型过程的影响; 最后提出了微纳复合结构表面设计原则, 即确定“超疏水稳定区”尺寸范围, 为超疏水表面的制备提供理论依据.     

Wetting characteristics of ZnO smooth film and nanowire structure with and without OTS coating

ZnO is an important material that is used in a variety of technologies including optical devices, sensors, and other microsystems. In many of these technologies, wettability is of great concern because of its implications in numerous surface related interactions. In this work, the effects of surface morphology and surface energy on the wetting characteristics of ZnO were investigated. ZnO specimens were prepared in both smooth film and nanowire structure in order to investigate the effects of surface morphology. Also, a hydrophobic octadecyltrichlorosilane (OTS) coating was used to chemically modify the surface energy of the ZnO surface. Wettability of the surfaces was assessed by measuring the water contact angle. The results showed that the water contact angle varied significantly with surface morphology as well as surface energy. OTS coated ZnO nanowire specimen had the highest contact angle of 150°, which corresponded to a superhydrophobic surface. This was a drastic difference from the contact angle of 87° obtained for the smooth ZnO film specimen. In addition to the initial contact angle, the evolution of the water droplet with respect to time was investigated. The wetting state of water droplet was analyzed with both Wenzel and Cassie-Baxter models. Spontaneous and gradual spreading, together with evaporation phenomenon contributed to the changing shape, and hence the varying contact angle, of the water droplet over time.     

接触角滞后现象的理论分析

在本文的研究中，考虑表面粗糙的影响，通过引入附加“磨擦力”的概念，分别用力学方法和热力学方法导出固体表面上液滴平衡时接触角应满足的条件；并得到了液滴系统自由能－固液接触面积曲线；分析了前进接触角和后退接触角的物理意义；由此给出了接触角滞后现象的一种合理解释．这对于进一步认识接触角的滞后现象，无疑是有积极意义的．     

润湿梯度作用下液滴在倾斜表面向上运动的格子Boltzmann模拟

采用基于Shan-Chen伪势模型的格子Boltzmann方法,对液滴在存在润湿梯度的倾斜表面上克服重力、自下而上运动的过程进行模拟。探究润湿梯度、液滴尺寸、Bond数以及表面倾斜角度对液滴运动的影响。计算结果表明：液滴在运动过程中,内部会出现沿斜面向上的速度矢量,润湿梯度越大,液滴运动速度越快,润湿长度也越长,且动态接触角减小速率越快。液滴尺寸和Bond数对液滴运动的影响较小,但存在临界Bond数,超过该临界Bond数时,液滴将沿梯度润湿表面向下运动。表面倾角对液滴运动有显著影响,倾角增大,液滴运动速度和润湿长度都明显减小。     

A Model for the Contact Angle of Liquid Droplets on Rough Surfaces

Up to now, measured results of the contact angle on rough surfaces have been explained usually based on the Wenzel equation （1936） and the Cassie-Baxter equation （1944）. However, these equations do not take into account considerations of liquid wetting behaviors on rough surfaces, and this leads to poor understanding of the mechanisms of contact between liquid droplets and rough surfaces （e.g. contact angle hysteresis）. We propose a new model for the contact angle of liquid droplets. By means of the present model, we can well understand the evperimental data which could not be well explained by the Wenzel equation and the Cassie-Baxter equation.     

Water condensation on zinc surfaces treated by chemical bath deposition

Water condensation, a complex and challenging process, is investigated on a metallic (Zn) surface, regularly used as anticorrosive surface. The Zn surface is coated with hydroxide zinc carbonate by chemical bath deposition, a very simple, low-cost and easily applicable process. As the deposition time increases, the surface roughness augments and the contact angle with water can be varied from 75° to 150°, corresponding to changing the surface properties from hydrophobic to ultrahydrophobic and superhydrophobic. During the condensation process, the droplet growth laws and surface coverage are found similar to what is found on smooth surfaces, with a transition from Cassie-Baxter to Wenzel wetting states at long times. In particular, it is noticeable in view of corrosion effects that the water surface coverage remains on order of 55%.