梯度润湿性ZnOHF薄膜上液滴定向铺展行为

目前对ZnOHF的润湿性相关的研究较少。借助ZnOHF的光响应润湿性转变特性制备梯度润湿性表面,研究该表面上的液滴定向铺展行为,验证应用该表面可提高潮湿环境中的集水量。通过水热法制备花状ZnOHF薄膜,基于其光响应特性对ZnOHF薄膜进行不同时间的紫外光照制备单侧梯度润湿性表面,研究液滴在梯度表面上的定向铺展行为。采用XRD和SEM表征产物的物相组成和微观结构,使用FT-IR表征紫外光照前后ZnOHF薄膜的-OH基团变化,使用接触角测量仪表征ZnOHF薄膜的润湿性,记录液滴的铺展行为。结果表明,在紫外光照射下,薄膜的接触角变化速度先快后慢,3 h即可由152°转化为0°。在梯度表面上水滴以7.42 mm/s的速度从光照起始线向超亲水端定向铺展4.08 mm,与均匀表面(1.16 mm/s)相比铺展速度更快,距离(3.82 mm)更远;梯度表面上的液滴可以克服重力铺展,其速度(3.84 mm/s)依然大于均匀表面。液滴在梯度表面定向铺展的主要驱动力为不平衡的表面张力,不同体积的液滴铺展到光照分界线处均出现加速现象。双侧梯度表面可以使小液滴汇聚于亲水区域,当液滴累积到一定体积时会向下渗透,达到集水的效果。模拟潮湿环境测试其集水性能,双侧梯度表面的集水量与原始表面相比提高31%。通过控制紫外光照制备梯度润湿性ZnOHF薄膜,研究液滴在梯度润湿性表面上的定向铺展行为,并验证了双侧梯度表面在集水方面的应用。

铜基高梯度润湿表面的构建与表征

通过向垂直放有铜片的烧杯中滴加Ag NO3溶液,在铜片上制备出水接触角从平整铜表面的90.8°升至151.4°的梯度润湿表面;结合前期以碱辅助氧化法制备亲水区间的梯度润湿表面,实现了在无低表面能物质修饰时,构建从超疏水(151.6°)至超亲水(3.7°)的高梯度润湿铜表面。制得的润湿性梯度在近100℃的水浴中浸泡10 h,各点的接触角变化最大不超过10°。采用扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等对样品表面形貌演变和结构进行分析,表明在铜表面分别沉积具有相对疏水的银粒子和亲水特性的氢氧化铜粒子,并形成合理的粗糙结构,可使铜片分别达到超疏水和超亲水状态,从而形成高梯度润湿铜表面。由于平整的银表面和氢氧化铜表面的水接触角分别为72.8和62°,这也从另一侧面说明亲水与疏水的界限在65°可能更加合理。

飞秒激光制备梯度润湿性单晶硅表面

针对化学气相沉积、自组装技术等表面制备方法存在化学污染、表面结合强度低等问题,运用飞秒激光在单晶硅表面加工正方形微凹坑阵列制备梯度润湿性表面,使用白光干涉仪、扫描电子显微镜、能谱仪和接触角测量仪分别测量单晶硅表面粗糙度、微观形貌、化学成分及接触角。通过改变激光能量密度制备不同梯度润湿性表面,研究不同激光能量密度下液滴在梯度润湿性表面上的铺展规律。结果表明:随激光能量密度增大,表面粗糙度参数算术平均高度、均方根斜率和界面扩展面积比整体呈增大趋势,表面接触角整体呈减小趋势。由于激光能量密度增大导致的单晶硅表面平行微凹槽、重凝层及不规则微纳结构使均方根斜率、界面扩展面积比及表面接触角出现波动。液滴在梯度润湿性表面定向铺展分为加速与减速两个阶段,减速阶段速度伴随明显波动现象,小体积液滴的铺展速度更快。实现了飞秒激光高精度、非接触、过程可控的梯度润湿性表面制备,结果可为制备单晶硅微流控器件提供理论参考。

利用银镜反应制备梯度润湿性表面

利用工艺简单的银镜反应制备了润湿性均一的纳米银表面。该表面具有一定的粗糙度,随着与低表面能的正十二烷基硫醇自组装时间的延长,银表面的接触角逐步增大,并达到超疏水性。通过调节正十二烷基硫醇溶液的浓度或滴加速度,能在同一银表面的不同位置实现从疏水性到超疏水性的梯度润湿性调控。

梯度润湿表面脉动热管传热性能的研究

为提高脉动热管水平方向的运行性能,本文通过控制化学刻蚀时间,制备出冷凝段到蒸发段接触角由83.8°至0°均匀变化的纳米草结构梯度润湿表面。并将此结构引入至6弯管板式脉动热管中,在不同充液率、加热功率以及运行方向下开展可视化和传热性能试验。试验结果表明,在竖直运行时,梯度润湿表面脉动热管相比于纯铜脉动热管展现出较好的传热性能。水平方向上,相较于纯铜脉动热管几乎完全烧干、无法启动的情况,梯度润湿表面由于附加的梯度润湿驱动力,促进了液体工质的回流,脉动热管成功启动。且汽液界面脉动振幅、脉动速度以及脉动热管的传热性能显著提高,充液率50%时热阻最多降低45%。

液滴在梯度润湿铜表面上的定向铺展

为了定量考察铜表面上润湿性梯度对液滴铺展性能的影响,采用碱辅助表面氧化法,在长10mm的铜表面上构建了水接触角为89.5°-27.5°连续变化的润湿性梯度,采用场发射扫描电镜观察该梯度润湿表面的微观形貌变化,并以高速摄像机研究了液滴在该梯度润湿铜表面上的铺展规律。结果表明,在梯度润湿铜表面上液滴会朝亲水端方向进行定向铺展。3和6μL液滴在该梯度润湿铜表面上的铺展距离分别为5.7和6.4mm,平均铺展速度可分别达240.9和309.1mm/s。其定向铺展距离和铺展速度均高于相应液滴在均匀亲水（27.5°）铜表面上的铺展距离与铺展速度。

梯度润湿表面上液滴定向迁移及合并行为的格子Boltzmann模拟

采用改进的格子Boltzmann方法,对梯度润湿性表面上液滴的定向迁移及合并行为进行了数值模拟,该模型在精度和稳定性上都有很大改善,同时,研究了梯度润湿性表面上液滴定向迁移和合并的动力学特性,并对液滴尺寸及润湿梯度对液滴动力学特性的影响规律进行了分析。数值结果表明,液滴在梯度润湿性表面运动时会发生形变,且动态接触角逐渐减小。润湿梯度对液滴定向迁移行为有显著影响,润湿梯度越大,液滴左右侧接触线位移越大,润湿长度增加越快。但是液滴尺寸对接触线位移影响较小。润湿梯度对液桥宽度基本无影响,但对液滴初始合并时间有显著影响。

润湿性梯度对仿生织构表面摩擦学行为的影响

润湿性调控和仿生织构设计是实现表面减摩耐磨的重要方法.利用飞秒激光在AISI 440C不锈钢表面制备了仿生微凹坑,在微凹坑中沉积润湿性可调的超疏水涂层,通过紫外线辐照构筑了4种梯度润湿性仿生织构表面.采用往复滑动摩擦磨损试验,以水为润滑剂,对比研究了不同载荷和速度下润湿性梯度对仿生织构表面摩擦学行为的影响.结果表明,在低载高速条件下,当表面形成低黏附性超疏水-弱疏水的润湿性梯度时,耐磨性最佳,相较于AISI 440C不锈钢抛光表面,磨损率降低47.9%,说明润湿性梯度耦合仿生织构能够有效减小磨损.

二氧化硅基润湿梯度表面制备及其静润湿特性分析

[目的]润湿梯度表面在水面舰船防污、潜艇减阻等领域具有潜在应用价值,有待进一步研究低成本、低复杂度的制备技术。[方法]采用气相沉积法、碱腐蚀法和两者复合法,开展二氧化硅基润湿梯度表面的制备及其静润湿特性的研究分析。[结果]气相沉积法制备表面的最大接触角和变化范围分别为104.9°,23°左右;碱腐蚀法制备表面分别为80.2°,60°左右;两者复合法制备表面分别为102.1°,40°左右,且气相沉积过程在表面润湿性梯度制备中起主导作用。[结论]研究成果可为海洋装备的功能表面制备提供参考。

往复运动条件下润湿梯度表面对限量供油润滑的影响

目的探究有限量供油条件下,润湿梯度表面对往复运动条件下的油膜润滑增效作用。方法首先在玻璃试样表面制备一层疏油涂层,降低工作表面润湿性。其次,利用飞秒激光将一定宽度的条状图案刻蚀到掩膜板上,通过掩膜法,利用氧等离子刻蚀技术在玻璃块疏油涂层上构造不同宽度的亲油轨道,形成了润湿梯度表面。然后使用往复运动光弹流膜厚测量仪对亲油轨道的膜厚及油池变化进行测试。试验选用低黏度的PAO4基础润滑油,限量供给0.04μL。钢球与玻璃试样表面构成点接触往复运动摩擦副模型。结果具有一定亲油轨道宽度(0.2、0.4mm)的润湿性梯度表面具有较好的集油性能。润湿性梯度表面在往复运动行程中心位置作用最为明显,在所给试验条件下膜厚最大为原始表面的3倍。钢球-钢块接触副的摩擦测试结果表明,本文提出的润湿梯度表面使摩擦因数最高下降30%。另外,由于载荷效应导致接触区外侧毛细集油作用减弱,乏油程度增加,随着载荷增加,润滑油膜减小。油滴在一定宽度亲油轨道的扩散仿真结果说明润湿性梯度表面可以有效地将润滑油限制在轨道内,有利于往复运动过程中润滑剂的回流。结论提出的润湿性梯度表面有较强的集油作用,改善往复运动弹流接触副的供油和润滑状态。

润湿性梯度材料研究进展

润湿性是固体表面的重要性质之一,其由表面化学组成和表面粗糙度共同决定。随着人们对润湿性研究的深入,实际应用领域对表面润湿性的要求也不再仅限于传统的亲/疏水性。由于润湿性梯度材料具有不同于单一润湿性材料的性能,近些年来受到越来越多的关注和研究。目前,大量的科学研究集中于探索利用表面化学梯度修饰或构筑表面结构梯度等方法获得具有润湿性梯度的表面材料,进一步研究表面能和结构梯度对材料性能的影响。介绍了润湿性梯度材料的研究现状、制备方法、研究进展及其在多领域中的应用。

纳米液滴撞击润湿梯度表面的分子动力学模拟

目的研究在液滴撞击固体表面的过程中,撞击速度和润湿梯度对液滴运动的影响。方法采用分子动力学方法模拟纳米液滴以不同初始下落速度v_(0)撞击带有润湿梯度的固体表面,通过改变固体表面纳米方柱的间隙来构建润湿梯度,方柱间隙越小则接触角越小、润湿性能越好。结果当v_(0)为0.3~1.1 nm/ps时,液滴撞击固体表面后沿固体表面朝着润湿性较强的方向移动;在v_(0)为0.7~1.1 nm/ps时,液滴出现了二次铺展;受到液滴的初始动能和钉扎效应的影响,液滴质心离开润湿梯度表面时的移动速度v_(t)出现了2个拐点。当v_(0)为1.2~1.5 nm/ps时,液滴在撞击固体表面后会发生弹跳,此时液滴在v_(0)垂直方向的速度分量随着v_(0)的增大呈线性增大趋势,而在v_(0)水平方向的速度分量为定值(0.017 nm/ps);液滴的弹跳速度v和弹跳角α会随着v_(0)的增大而增大。结论在液滴撞击带有润湿梯度的固体表面的过程中,最大铺展因子β_(max)与v_(0)近似呈线性关系;低速液滴撞击固体表面后会被捕捉,并沿着润湿性强的方向移动,提出了不同撞击速度区间中v_(t)与v_(0)的关系式;高速液滴在撞击后会沿着润湿性较好的一侧发生弹跳,提出了液滴弹跳速度、角度与v_(0)的关系式。

激光制备润湿性梯度Janus网对水下气泡的单向自发运输

特殊润湿性表面的水下气泡操控因在工业生产中具有潜在的应用而受到极大关注.通过激光烧蚀、表面化学修饰、修饰剂去除、热板退火调控润湿性等工艺制备了润湿性梯度可控的Janus网,并通过监测水下气泡单向自发运输的动态过程,研究了该Janus网表面润湿性及微孔尺寸对水下气泡单向自发运输的影响.结果表明:Janus网上下表面为超疏水/亲水、疏水/亲水或超疏水/疏水时,均具有气泡单向自发输送能力;微孔尺寸越小、上下表面间润湿性梯度越大越有利于气泡单向自发运输.此外,对气泡单向自发运输的物理机制和影响因素进行分析,为梯度润湿性金属网的制备提供了理论依据.

润湿性梯度集油表面制备及摩擦性能研究

为了解决润滑油发生迁移,使接触面润滑油中断,导致润滑失效的问题,制备一种具有高集油性能的疏油-亲油-疏油的梯度表面。采用化学气相沉积的方法,在硅片表面沉积一层单分子膜,并采用接触角测量仪、UMT摩擦磨损试验机、共聚焦显微镜等对该样品进行表征,研究该类表面在限量供油条件下的润滑性能。结果表明:将油滴滴在疏油/亲油交界处,油滴能够迅速地从疏油区域向亲油区域运动;点接触往复运动摩擦实验结果表明,梯度表面硅片的摩擦因数明显低于原始的硅片,且梯度表面硅片的表面磨痕深度比原始硅片浅。各种实验结果表明,所制备的疏油-亲油-疏油梯度表面能够起到集油的作用,避免了润滑油中断的问题。

静电纺丝制备具有浸润性梯度的聚酰亚胺纳米纤维膜

采用高压静电纺丝技术,在非对称异型电极上制备得到放射状聚酰亚胺(PI)纳米纤维膜.采用环境扫描电子显微镜(ESEM)观察了PI膜的微观形貌以及纳米纤维的排列状态;采用接触角测量仪研究了水滴浸润性的变化;采用高敏感性力学微电力学天平测量了水滴的黏附力,分析了微观形貌变化与水滴浸润性质和黏附性质的关系.结果表明,该PI纳米纤维膜沿着非对称异型电极三角电极至弧型电极方向纤维排列由密到疏,呈放射状,具有独特的微结构梯度;整个纤维膜上的PI纳米纤维直径均一且具有光滑均匀表面,纤维与纤维之间的距离约为几微米到几十微米.由于PI纳米纤维膜所具有的独特的微结构梯度,致使沿着微结构梯度方向水滴的接触角(从超疏水到疏水)和黏附力(从低黏附到高黏附)均表现出梯度变化的特征.

限量供油条件下微柱阵列束油表面润滑增效特性研究

在润滑轨道两侧制备以防指纹油涂层(Anti-fingerprint coating,AFC)修饰的微柱阵列(Micropillar array,MA),形成润湿性梯度束油的润滑增效表面.使用点接触光弹流润滑油膜测量仪测量了该表面在限量供油往复运动条件下的油膜厚度以及油池形态,探究了往复频率、束油轨道宽度和载荷对润滑性能的影响,同时与未经AFC修饰的微柱阵列束油表面和仅以AFC形成的束油表面进行了对比.结果表明:制备的经AFC修饰的微柱阵列束油表面比其他2个束油表面有更好的润滑特性,往复运动条件(4 Hz)下明显改善了行程中点及两端点处的润滑状态,相对原始未处理表面行程中点处中心油膜厚度最高提升了51.4%.表面在束油轨道宽度接近Hertz接触区宽度时集油效果最强,随着轨道宽度增加集油效果减弱.载荷对微柱束油阵列表面的集油效果影响显著,随着载荷增大轨道机械分离作用变强、毛细回流作用减弱,造成集油能力和油膜厚度下降.

自集油涂层对凸轮–挺柱副限量润滑性能影响研究

设计制备了一种圆弧形疏油区与原始亲油区交替排列的图案化功能表面,实现少量润滑油的自动聚集,探索其对凸轮–挺柱副限量润滑性能的改善。结果表明,涂层功能表面使接触副表面产生润湿性梯度,限量润滑油在无外部力驱动情况下定向流动,改善了接触区供油进而实现改善润滑性能的目的。亲油轨道宽度对润滑油回流影响并非一致的,合适的宽度设计能够产生良好的集油效果;高黏度润滑油受到钉扎作用阻碍其挤压阶段的向外流动;供油量降低至0.5μL时运动副已处于严重乏油状态,集油表面无法发挥改善润滑的作用。

冷感单向导湿织物开发及水斑消除研究

为了开发夏季冷感单向导湿服装,采用双层缎面组织,内层用高导热的聚乙烯长丝,外层用高吸水的莱赛尔长丝,利用差动毛细效应和润湿梯度效应,使水分快速传导及蒸发。试验得出,采用十字扁平聚乙烯纤维,加入亲水硅油ST420,热压工艺后瞬间凉感值提升到0.270W/cm^(2),芯吸高度提升到193mm,蒸发速率提升到1.85g/h,透湿量提升到10410g/(m^(2)·d)。通过增加聚乙烯纤维的格子和外层运用蜂巢提花组织,提高比表面积,能有效阻止水斑的产生。

复合梯度楔形表面上液滴自输运特性的数值研究

目的提高表面液滴的自输运速率。方法在表面引入润湿梯度和楔形形状,基于VOF模型(流体体积模型)对表面液滴运动进行数值研究,并建立一种适用于润湿梯度和楔形图案联合的模型,分析润湿梯度和楔形角度对液滴位移的影响。结果润湿梯度越大,液滴受不平衡的表面张力越大,液滴移动速度越快。润湿梯度为15(°)/mm表面上液滴的平均速度比10、5(°)/mm润湿梯度的表面分别快42.3%和130%。楔角越大,加速阶段的液滴移动速度越快,但会越早失去驱动力而停止移动,而楔角越小,液滴移动位移越大。液滴在40°楔角表面最先停止运动,在20°楔角表面位移比30°和40°楔角表面分别远10.3%和32.3%。联合润湿梯度和楔形图案后,15(°)/mm表面上的液滴在20°、30°、40°和20°楔角表面上的液滴在15、10(°)/mm下均能运动到计算模型出口,且15(°)/mm、40°楔角表面液滴的平均速度达到292 mm/s,比单一梯度表面增长37.7%,比单一楔形图案表面(20°)增长175.5%。结论通过调节润湿梯度和楔形角度,可有效控制液滴移动速度。联合润湿梯度和楔形图案的复合梯度楔形表面能同时减小润湿性范围瓶颈和楔形形状制约,提高表面液滴的移动速度和距离。研究结果将有助于设计高效的液滴输运功能表面,并可将其扩展到冷凝装置、微流体装置和药物检测等领域。

双液滴在具有润湿梯度的斜面顶端融合弹跳的LBM模拟

基于格子Boltzmann方法,对液滴在具有润湿梯度的斜面顶端融合弹跳的过程进行模拟。研究润湿梯度、斜面顶端润湿性、液滴尺寸和Bond数对液滴融合弹跳过程的影响。计算结果表明:在较疏水的润湿梯度斜面上,两个液滴在非平衡张力作用下融合后能够发生弹跳行为;液滴融合速度和跳跃高度最大值均随着润湿梯度的增大而增加;随着斜面顶端润湿性的增大,液滴跳跃高度最大值减小;存在一个最佳液滴尺寸,使得跳跃高度最大值最优。Bond数越大,液滴跳跃高度最大值越小。