喷墨液滴撞击疏水表面的溅射现象研究

为研究喷墨打印中液滴撞击疏水表面时产生的溅射现象,本研究进行了液滴撞击实验和有限元模拟。通过调控液滴速度得到沉积和溅射两种撞击结果,使用有限元法对撞击过程进行分析,发现液滴铺展前沿部分存在惯性力、黏性力和表面张力的局部竞争关系。据此进行量纲分析,得出无量纲系数K的形式,通过数据拟合得到由沉积转向溅射的临界值K=107.5。研究结果表明,密度、直径和速度的增大会导致惯性力的增大,促进溅射;表面张力的增大会促使液滴回缩,抑制溅射;黏度的增加会使黏性耗散增大,从而削弱惯性力,抑制溅射。利用此规律可以推导出定量打印的最大安全速度,在保证印刷质量的同时提高打印效率。

钛合金疏水表面微坑阵列的掩膜电解加工仿真与分析

为改善钛合金疏水性能,获得较高的接触角,使用掩膜电解技术对钛合金进行了凹坑阵列表面微织构的加工。首先,建立微坑阵列掩膜电解加工的数学模型并进行多物理场耦合仿真;其次,分析掩膜电解加工参数对微坑阵列的作用,并借助润湿理论模型获得微坑阵列的固-液接触面积比;最后,以该面积比为因变量,以电解质质量分数、电解电压和掩膜尺寸为自变量,进行正交试验仿真和极差分析,获得最佳工艺参数组合。与仿真预测值相比,微坑阵列单元体直径、间距、深度、固-液接触面积比和表面接触角的测量值误差均小于8%,从而表明该方法在未经低表面能材料修饰的情况下,成功制备了接触角约为140°的微坑阵列。

液滴在运动超疏水表面回弹特性的研究

目的:研究了液滴在运动的超疏水表面的回弹特性。方法:使用高速相机搭建实验台以完整捕捉液滴撞击运动超疏水表面的形变。结果:液滴撞击运动超疏水表面呈现非对称扩散,发现表面运动速度越快,接触时间越小,收缩速度的增加来源于液膜厚度的减小和铺展的不对称性。结论:根据切向速度和冲击速度得出最大铺展直径的经验公式,以及速度恢复系数与表面速度的关系。研究结果揭示了液滴撞击运动超疏水表面的回弹规律,有助于理解液滴在超疏水表面上的行为特性。

液滴撞击疏水/超疏水表面运动特性的数值模拟

采用计算流体动力学对液滴撞击疏水/超疏水表面的过程进行数值模拟,分析液滴滴落高度、表面润湿性和表面倾斜角度3个因素对液滴运动的影响。结果表明,随着液滴滴落高度的增大,液滴铺展系数增大,回弹系数减小,滴落高度对液滴铺展系数和回弹系数的影响随表面静态接触角的增大而增大;表面疏水性增强,液滴铺展系数减小,回弹系数增大,滴落高度的增大会减弱表面润湿性对液滴铺展系数和回弹系数的影响;表面倾斜角度增大,液滴铺展系数和回弹系数减小,液滴内部最大速度增大。

纳微结构疏水表面结霜过程及抑霜特性

采用静电纺丝法,通过调节电纺母液浓度,制备出7种具有典型微米颗粒结构、微米颗粒/纳米纤维混合结构和纳米纤维结构的疏水表面,实现了纳微结构的表面可控;对表面微观结构进行了表征,测试了其疏水性能;通过表面结霜过程和抑霜性能实验比较,结合表面分形维数分析,研究了纳微结构疏水表面的抑霜特性。结果表明,虽然7种纳微结构疏水表面接触角均在139°～152°之间,具有明显的疏水特性,但其抑霜性能与疏水性能并不呈一致关系;抑霜性能与表面结构密切相关,随着表面结构分形维数的增大而减小。

疏水表面及其减阻研究

本文简述了疏水表面及其减阻的基本原理,概述了国内外研究者构造疏水表面所采用的技术工艺及最新研究成果。对疏水表面用于减阻的最新研究进展进行了综述,指出现阶段疏水表面存在的不足以及用于减阻所面临的问题,提出采用气相沉积结合原位反应渗透等工艺制备疏水、耐磨、耐腐蚀、结合力好的减阻疏水表面。

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。

疏水表面用于延缓热泵结霜及加快除霜的探讨

分析了水蒸气在不同表面冷凝形成冷凝水进而被冷却形成霜层的几种情况 ,以及冷凝水在不同表面的脱落现象 ,提出了疏水表面用于延缓结霜及加快除霜从而节能降耗的方法。

疏水表面的摩擦阻力特性研究

考虑到单纯的形貌和低表面能涂层减小摩擦阻力的效果有限,利用铝基底、聚四氟乙烯涂层制备了几种表面形貌和低表面涂层相结合的疏水表面,并应用到水下航行体的减阻实验中。结果表明:具有聚四氟乙烯涂层的微形貌结构的表面接触角可超过120°,形成疏水状态;部分疏水表面在减阻实验中具有较好的效果,比只有微形貌的表面的周期性减阻有了更好的稳定性;不是所有的疏水表面都具有减小摩擦力的作用,偏角的方向、进刀量的大小、形貌的周期等许多因素都直接影响着阻力的大小。

典型植物非光滑疏水表面的理想模型

通过对植物非光滑表面疏水特性的分析,把疏水表面分为4类:超亲水表面、中等亲水表面、中等疏水表面、超疏水表面。从能量平衡的角度论证了超亲水表面、超疏水表面能量传递符合Cassie模型,中等亲水表面、中等疏水表面能量传递符合W enzel模型,并从许多的植物疏水表面中筛选出4种典型的几何非光滑表面原型,分别构建了凸包型、凹坑型、圆锥型、柱型的理想疏水表面的数学模型,这将为工程仿生脱附的疏水表面设计与制造提供理论依据。

基于低表面能效应的疏水表面减阻机理

针对疏水表面功能材料在流动减阻方面的潜在应用,通过水洞实验研究了具有疏水表面航行器模型的阻力特性,获得了其减阻特性曲线,并得到了大于30%的实验室减阻效果.对疏水表面进行了表面能特性分析,认为表面组分中的-C-Si疏水基团引起了疏水表面的低表面能效应,是疏水表面具有减阻作用的直接原因.

微通道疏水表面滑移的耗散粒子动力学研究

了解疏水表面的滑移规律对其在流动减阻方面的应用至关重要.利用耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics, DPD)方法研究了微通道疏水表面的滑移现象.采用固定住的粒子并配合修正的向前反弹机制,构建了DPD固体壁面边界模型,利用该边界模型模拟了平板间的Couette流动.研究结果表明,通过调整壁面与流体间排斥作用强度,壁面能实现从无滑移到滑移的转变,壁面与流体间排斥作用越强,即疏水性越强,壁面滑移越明显,并且滑移长度与接触角之间存在近似的二次函数关系.无滑移时壁面附近密度分布均匀,有滑移时壁面附近存在低密度区域,低密度区域阻碍了动量传递,致使壁面产生滑移.

微结构疏水表面的液滴浸润特性

以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基底采用光刻蚀法制备了具有不同粗糙度的微方柱结构疏水表面,研究了微结构疏水表面的液滴浸润特性.结果表明,微方柱高度对表观接触角影响很小,但会显著影响疏水表面液滴浸润状态的稳定性,当微方柱边长和间距一定时,存在一个临界高度,当微方柱高度大于该临界值时,液滴具有良好的稳定性.通过对不同温度下疏水表面液滴浸润状态的研究表明,在露点温度至环境温度区间内,随着温度的增加,表观接触角呈增大趋势;在环境温度至沸点温度区间内,随着温度的升高,表观接触角呈减小的趋势.研究认为,合理的微结构尺寸和应用环境温度对液滴浸润状态的稳定具有重要意义.

微纳米结构对聚合物超疏水表面润湿性的影响

对聚合物超疏水表面疏水原因的理论分析及其超疏水表面常用的制备方法进行了总结,并从热力学角度评述了关于超疏水状态的两种理论模型:W enzel模型和Cassie模型,分析了微纳米结构对聚合物超疏水表面表观接触角的影响。

疏水高分子单链在疏水表面上吸附和扩散过程的分子动力学模拟

摘要:采用分子动力学模拟方法研究不同聚合度(N)的聚乙烯(PE)单链在Si(111)表面上的吸附和扩散行为.分别设置相对介电常数为1和78模拟无溶剂和不良溶剂环境.PE单链的平衡吸附构象均呈现为二维吸附构象,但在这两种截然不同的环境中呈现不同的构象和动力学特征,说明溶剂环境对于疏水高分子单链在疏水表面上的吸附和扩散起到了很大的作用.吸附能与聚合度呈线性关系,单位链长的平均吸附能是-0.38 kJ·mol-1.另外,扩散系数(D)与聚合度之间的标度关系是D^N-3/2.

疏水表面流体流动特性的格子Boltzmann方法模拟

采用格子Boltzmann方法研究了微形貌对固体表面润湿性的影响,在此基础上进一步模拟了具有微形貌的疏水表面通道内的流体流动,从法向速度、剪应力、滑移速度等角度分析了疏水表面的流场特性,揭示了疏水表面滑移流动的产生机制。结果表明,疏水表面的滑移流动是由低表面能作用和微形貌共同引起的。具有微形貌的疏水表面比光滑疏水表面具有更好的减阻效果,原因在于微形貌能够驻留气体,形成的气液自由剪切面加剧了疏水表面的滑移流动,最大滑移速度可以达到主流平均速度的50%左右。

基于格子Boltzmann方法的疏水表面润湿性数值模拟

润湿性对固体表面上液体的各种动力学行为具有重要影响,疏水表面的特殊润湿性是其在减阻、降噪、防污等领域有着广泛应用前景的根本原因。基于Shan-Chen模型的格子Boltzmann方法对疏水表面润湿性进行数值模拟,获得了材料属性和微形貌对疏水表面润湿性的影响规律。研究表明,要使疏水表面处于Cassie-Baxter润湿状态,微形貌高度必须大于某一临界值,而当疏水表面一旦处于Cassie-Baxter润湿状态后,继续增加微形貌高度也不会提高其疏水性能;疏水表面的表观接触角随气液界面分数先增大后减小,且存在一个最佳的气液界面分数使表观接触角达到最大。

仿生超疏水表面在建筑和生物医药领域的研究进展

仿生超疏水表面材料具有特殊微纳米结构,相比一般的材料具有优秀的性能和特殊的性质。目前人们已经制备出诸多具有防污、抗冻、微流体、生物医药等特性的仿生超疏水表面材料。文章综述了仿生超疏水材料制备的经典模型和方法,重点介绍了仿生超疏水材料在建筑和生物医药领域的研究进展,如:提高建筑防污耐水性能,增加材料浮力,提高管道运输能力,控制药物释放,控制蛋白质的吸附和生长,控制细胞生长行为,提高血液相容性等。最后对仿生超疏水性表面材料在建筑和生物医药领域的研究进行了展望。

铝基彩色超疏水表面制备

先用电化学刻蚀在铝表面加工出超疏水性所需的微纳米粗糙结构,再通过直流阳极氧化在微纳米结构表面形成氧化层,并在高锰酸钾和硫酸的混合溶液中进行电解着色,最后通过氟硅烷修饰降低表面能后即可获得彩色的铝基超疏水表面。对样品表面的微观形貌、化学成分及润湿性进行了表征,结果表明:当电解加工时间为4 min时,铝表面颜色较暗,其超疏水性一般,水滴与表面的接触角达到153.1°,滚动角为1°;当电解加工时间为3 min时,铝表面为黄褐色,有较好的疏水性能,水滴与表面的接触角达到157.2°,滚动角为1°。