神奇的表面浸润

<正>1.自然界中的浸润现象当把一种液体沉积于固体表面上时,由于液体、气体以及固体分子间的作用力,液体最后会处于平衡状态,这时气、液、固三相交点处气、液界面的切线会与固液界面线成一定角度的夹角,这种现象称为浸润,形成的角度称为接触角。对于水这种常见液体,一般人们把水滴接触角小于90°的表面称为亲水表面,接触角大于90°的表     

纳米粒子构建表面的超疏水性能实验研究

采用疏水纳米粉体压片法和岩心吸附法构建了具有微纳米结构的表面,测试了这些表面的接触角,拍摄了水滴在吸附纳米粒子的岩石表面的滚动过程照片,采用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)检测了表面的微结构.实验结果表明：无机纳米粒子经弱疏水性材料修饰后,其表面润湿性由强亲水变为强疏水;疏水纳米粒子吸附表面的接触角均大于120°,滚动角约7°,显示出超疏水特性;SEM照片显示,这些超疏水表面是具有不规则微纳米结构的气固复合面,符合Cassie-Baxter的复合表面模型. 关键词： 超疏水 纳米粒子 微纳米结构表面 接触角     

超疏水聚合物表面的水滴蒸发模拟

基于质量守恒和Fick第一定律，模拟了水滴在超疏水聚合物表面的蒸发全过程．研究从以往的接触角<90±扩展到>150±，液滴形貌扩展为椭球球帽模型进行疏水表面蒸发模拟．水滴在超疏水PC和FPU/PMMA表面蒸发的实验结果显示，计算的椭球球帽模型可以更好的反映出液滴接触角和高度的变化情况，并且不同聚合物表面接触角的相同变化趋势也揭示出微-纳二级结构表面结构不仅影响液滴接触角，也影响液滴蒸发模式．     

两步法制备超疏水性ZnO纳米棒薄膜

采用两步法制备了超疏水性ZnO纳米棒薄膜,在用磁控溅射在普通玻璃衬底上生长一层ZnO籽晶层基础上,利用液相法制备了空间取向高度一致的ZnO纳米棒阵列,经修饰后由亲水性转变为超疏水性.用扫描电子显微镜观察了纳米棒的表面结构,用接触角测量仪测出水滴在ZnO纳米棒薄膜表面的接触角为151°±05°,滚动角为7°.用Cassie模型对ZnO纳米棒薄膜的超疏水性进行了验证. 关键词： ZnO纳米棒 超疏水 两步法     

碳纳米管阵列超双疏性质的发现

用高温裂解酞菁金属络合物方法制备了几种具有不同形貌的阵列碳纳米管膜 ,并对其超疏水和超双疏性质进行了研究 .对于具有均匀长度和外径的阵列碳纳米管膜 ,文章作者发现 ,在未经任何处理时 ,其表现出超疏水和超亲油性质 ,与水的接触角为 15 8 5± 1 5° ,与油的接触角为 0± 1 0°.经氟化处理后 ,则表现出超双疏性质 ,与水和油的接触角分别为 171± 0 5°和 16 1± 1 0° .对具有类荷叶结构的阵列碳纳米管膜 ,其表面形貌与荷叶的十分接近 ,且在未经任何处理时所表现出的超疏水性也与荷叶的非常接近 ,与水的接触角为 16 6° ,滚动角为 8° .这种超疏水和超双疏性质是由表面的纳米结构以及微米结构和纳米结构的结合产生的 .这一发现为无氟超疏水表面 界面材料的研究提供了新的思路     

超疏水翅片表面的抑霜机理和融霜特性

制备了具有微纳复合结构,表面接触角和滚动角分别为159.7°和4.2°的超疏水翅片。通过可视化观测,揭示了超疏水翅片表面的抑霜机理和融霜特性,并与亲水翅片进行了对比。结霜初期,超疏水翅片表面的凝结液滴分布稀疏,呈Cassie状态;亲水翅片表面的凝结液滴分布密集,呈铺展状态,几乎覆盖整个翅片表面。超疏水翅片表面与霜层间实际接触面积小,换热热阻大,使其被霜层覆盖后仍可有效抑制霜层生长。融霜时,超疏水表面的弱黏附性导致霜层整体从翅片表面剥离和脱落,缩短了融霜时间,减少了滞留水量。     

接触角滞后对组合表面液滴运动的影响

本文通过控制NaOH和(NH_4)_2S_2O_8溶液的刻蚀时间,制备了具有不同接触角滞后超疏水区的0.5 mm-0.5mm超疏水疏水组合表面,可视化研究了常压纯蒸汽下液滴脱落半径,冲刷周期,尺寸分布.电镜表征结果表明,刻蚀时间越长,所制备超疏水表面的微纳结构越细,导致液滴接触角滞后增加。在0.5 mm-0.5 mm超疏水-疏水组合表面冷凝过程中,存在两种排液行为:液滴横向抽吸和液滴跨区脱落。随着超疏水区接触角滞后的增加,对液滴的抽吸作用越强。液滴跨区脱落直径随着超疏水区接触角滞后的增加有减小趋势,表面冲刷周期随超疏水区接触角滞后的增加而减小;与完全疏水表面相比,组合表面疏水区域液滴尺寸较小,主要集中在50μm以内。     

超疏水铝导线的制备及其防覆冰性能研究（英文）

本文利用晶体缺陷的优先刻蚀原理在铝导线上制备出具有微-纳复合结构的超疏水表面,并分别使用扫描电镜和接触角测量仪对超疏水铝导线的微观结构和浸润性进行了研究.随后利用自制的覆冰实验平台对不同环境温度下超疏水铝导线表面的结冰过程进行了研究,结果表明低温条件下合并水滴在超疏水铝导线表面的跳跃滚落能有效阻止覆冰的形成,动态覆冰实验结果表明超疏水铝导线只能抑制覆冰的形成但不能抑制覆冰的积累.对进一步研究超疏水铝导线的防覆冰性能提供了新思路.     

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     

过冷水滴碰撞结冰的实验与模拟研究

以宏观结冰/霜过程中过冷水滴的碰撞结冰现象为背景,实验对比了亲水和超疏水表面上常温水滴碰撞、常温水滴碰撞结冰和过冷水滴碰撞结冰的过程,建立了过冷水滴碰撞结冰过程的数值模型,研究了We数和接触角对碰撞结冰的影响。结果表明:相比于常温水滴的碰撞及其碰撞结冰过程,过冷水滴碰撞结冰过程的稳态铺展系数更大;随着过冷度和We数的增大以及接触角的减小,过冷水滴的碰撞结冰与常温水滴的碰撞在水滴形态和铺展系数上的差异逐渐增大。     

表面润湿性对水平管降液膜流型的影响

降液膜的流动形态对水平管降膜蒸发器的强化传热过程具有十分重要的意义。本文构造了三种不同润湿性的表面,超亲水,亲水以及疏水,通过可视化实验和机理分析,研究了表面润湿性对降液膜管间流动的作用机理。结果表明,直列与错列柱状流的出现受到表面润湿性的影响。在亲水与超亲水表面只存在错列柱状流,而在疏水表面只存在直列柱状流。同时,错列柱状流的表面存在接触角上限,临界接触角为67°,直列柱状流的表面存在接触角下限,临界接触角为106°。     

表面能梯度驱动下纳米水滴在不同微结构表面上的运动

近年来, 微观尺度下水滴在能量梯度表面上的运动情况受到了广泛关注, 然而通过实验进行研究尚存在困难. 本文利用分子动力学方法研究了不同微结构表面上纳米水滴在表面能梯度驱动下的运动情况. 结果表明: 槽状和柱状微结构可以明显提升纳米水滴在微结构表面上的运动效率, 钉状微结构会降低纳米水滴的运动效率, 尽管它具有稳定的疏水性; 结合槽状和钉状结构的混合状微结构兼具二者的优点, 不但可以有效地提高纳米水滴在粗糙表面上的运动效率, 而且具有比较高的疏水稳定性. 此外, 表面能的微小改变会明显影响水滴的运动效率.     

超疏水-疏水组合表面蒸汽冷凝的实验研究

液滴的快速脱落和移除对蒸汽滴状冷凝传热具有重要的影响,超疏水表面由丁二具有接触角大,接触角滞后小的优点而用于驱动冷凝液滴的自发运动,但是,常压蒸汽在超疏水表面冷凝时,液滴的润湿形态还没有定论。本文设计了超疏水疏水条纹间隔排列的超疏水一疏水组合表面,研究了常压蒸汽在组合表面上的冷凝过程,观测了液滴的运动特性,测量了超疏水一疏水组合表面上常压蒸汽冷凝传热性能。实验结果显示疏水区液滴在表面张力差的作用下从疏水区向超疏水区自发迁移,说明超疏水区液滴处于Wenzel润湿形态,超疏水一疏水组合表面蒸汽冷凝传热性能比完全超疏水和完全疏水表面传热性能的面积加权平均值大。说明液滴的自发迁移运动强化了疏水区的传热性能。     

超亲水-超疏水组合壁面冷凝性能研究

本文通过水热法,结合气相沉积法和掩膜紫外光刻法,在玻璃基底上成功地制备了一种具有多尺度结构的超亲水-超疏水组合壁面,并对制备的具有不同润湿差异的组合壁面的冷凝效率进行了测试。结果表明壁面的冷凝效率取决于亲疏水区域的宽度和润湿性差异,其中当亲水区域宽度为0.80 mm,接触角约为0°,疏水区域宽度为0.95 mm,接触角为158°时,其冷凝效率相比光滑铜片的冷凝效率可以提高39%。进一步分析表明,液滴在极端润湿模式的组合表面的润湿分界线处具有较高的体积传输速率,且在超亲水区形成的连续微流通道加快了冷凝液滴快速排放,提高了整体表面的自更新能力。本文的研究,将为复杂润湿界面滴状冷凝的优化提供方向。     

疏水-超疏水组合表面倾斜管外混合蒸气冷凝过程

本文在铜管外制备疏水超疏水组合表面,控制铜管和重力方向的倾角为0°、30°、45°、60°,利用高速摄像系统研究混合蒸气冷凝过程中表面润湿性和重力的协同调控机制,观测了液滴的动态特性,测量了组合表面上混合蒸气传热性能.结果表明:倾角增大,组合表面上的冷凝液滴会偏离重力方向沿着疏水环向下冲刷;倾角60°时,疏水区域的液滴会合并到相邻的上下超疏水区域;和亲水光滑铜管相比,组合表面上含不凝气30%的混合水蒸气冷凝传热随倾角度增加先下降、之后保持不变、最后升高,分别提高50%～65%(竖直)、35%～55%(倾角30°和45°)、45%～55%(倾角60°)。     

微小空间蒸发传热的可视化实验研究

微小结构中蒸发传热过程的研究对高性能传热设备如毛细蒸发器等的设计和性能的提高 有着重要作用,因此成为近年来国内外传热界的研究热点之一。接触角在微小结构蒸发传热过程中 是一个非常重要的概念,因此,本文主要针对接触角随热负荷的变化规律进行了可视化实验研究。 实验结果表明,接触角发生了明显的滞后现象;当加热功率较大时,接触角对加热功率的反应更为敏感蒸馏水－玻璃体系的接触角大于无水乙醇－玻璃体系的接触角。     

自然对流条件下仿生超疏水表面的抑霜研究

仿生超疏水表面具有多重纳米和微米级的超微结构,其与水滴的接触角一般在150度以上,本文将这种仿生超疏水表面应用到制冷抑霜实验中,观察其表面上水珠的生成、冻结、初始霜晶的出现以及最终霜晶的特殊形态,与普通金属表面上霜的形成过程相比,这种表面具有很强的抑霜性,在-10℃的冷表面上它能延迟初始霜晶的形成55 min以上,其最终形成的霜晶结构松散,较易去除.在实验中首次发现了在该表面上形成的霜晶形态特异,类似一朵朵菊花.最后本文从理论上分析了这种表面的抑霜机理.     

超疏水表面膜态池沸腾传热实验研究

通过纳米颗粒沉积法在不锈钢球上制备了静态接触角大于160°的超疏水表面,并采用淬火法对该不锈钢球在过冷度为0℃~25℃的去离子水中的瞬态池沸腾传热过程进行了实验研究。结果表明,由于表面的超疏水特性,整个瞬态沸腾过程直至极低表面过热度时始终处于膜态沸腾状态。不锈钢球的冷却速率随着过冷度的增大而提高,其膜态沸腾的热流密度和平均努塞尔数也随着过冷度的增加而近似呈线性增长的趋势。对汽膜演化过程的可视化观察发现,在过冷度较大时蒸汽产生量减少,导致汽膜层扰动减弱、汽液相界面趋于平稳。     

基于空间光调制器的飞秒激光时空干涉在不锈钢表面高效率制备超疏水功能的仿生结构

基于空间光调制器的飞秒激光时空干涉方法,改变800 nm飞秒激光能流密度和累积脉冲数,在316镜面不锈钢上高效率、高质量地制备了面积为5 mm×5 mm的双尺度的类鲨鱼皮肤微纳米仿生结构,并研究了该结构在不同激光照射条件下的润湿性。在激光能流密度为1.37 J/cm~2,累积脉冲数为30～40的条件下,不锈钢表面碳元素含量最多增加了13.22%,润湿性由亲水(接触角88°)转变为超疏水,接触角高达165°。本研究利用灵活、高效的飞秒激光时空干涉加工方法,得到了稳定的超疏水表面,为仿生结构制备提供了新思路。     

荷叶效应的研究

荷叶效应源于物体表面微米-纳米结构带来的超疏水性本文通过较为简便的实验装置,研究了超疏水表面的水滴形态;在MATLAB环境下,利用图形工具箱(IPT)对数字图像进行处理;结台Runge-Kutta算法和Newton-Raphson迭代法,通过拟台Young-Laplace方程实现了对接触角较高精度的测量;并在此基础上,...