【摘要】：隨著數(shù)百萬年的自然進(jìn)化,有機(jī)體已經(jīng)能夠自發(fā)的進(jìn)化出具有多功能特性的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、圖案或紋理等等。在所有已經(jīng)被觀察到的這些特征中,某些生物體具有的自清潔能力被認(rèn)為是最有趣的一個(gè)。由于自清潔在各個(gè)領(lǐng)域具有的潛在應(yīng)用,所以自清潔成為了仿生學(xué)的主題,在航空航天,能源轉(zhuǎn)換以及生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域都有著廣泛的研究。最近,各種各樣的深入研究已經(jīng)開展,其中引人注目的一些生物結(jié)構(gòu)包括荷葉,鯊魚皮,蝴蝶翅膀和壁虎腳。為了更好地理解他們的自清潔機(jī)制并應(yīng)用于仿生,了解微/納米材料在基底上的附著和從基底上的分離,在界面科學(xué)領(lǐng)域具有重要意義。因此,我們制造了兩種AFM尖端:一種具有直徑為980 nm的SiO_2納米顆粒的納米球AFM尖端和另一種在AFM尖端的末端具有959 nm邊長的三角形的截?cái)嗉舛?然后通過AFM研究動(dòng)態(tài)黏附力增強(qiáng)。結(jié)果表明:當(dāng)收縮速度從0.02μm/s增加到156μm/s時(shí),兩個(gè)尖端對四種不同基底的黏附力顯著增加,并且在藍(lán)寶石基底上的增加最高;不同基底的納米尺度樣品(納米球尖端和截?cái)喽?的附著力順序?yàn)?高定向熱解石墨(HOPG)硅片云母藍(lán)寶石,這與基底的楊氏模量相反。另外,截?cái)喽说酿じ搅Υ笥诩{米球端的黏附力。尖端形狀和基底對動(dòng)態(tài)黏附力有明顯影響。其次,自潔表面具有低能耗,可重復(fù)使用和可持續(xù)性的優(yōu)點(diǎn)。這些類型的表面在汽車輪胎,攀爬機(jī)器人和航空航天工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。受壁虎腳獨(dú)特的干型自清潔層次結(jié)構(gòu)的啟發(fā),我們制造了具有自清潔性能的仿生PDMS/Fe_3O_4復(fù)合材料。PDMS與Fe_3O_4磁性納米粒子之間的聚合度和能量轉(zhuǎn)移的降低被認(rèn)為是改善纖維性能的主要影響因素。純PDMS表面可以通過6步清除24.3%的污染顆粒從而表現(xiàn)出自清潔能力,而具有5%和10%的Fe_3O_4復(fù)合物的樣品僅通過4步就可以移除近20%的污染顆粒,并且具有柔韌的機(jī)械性能。此外,具有更高硬度的柱子尖端展現(xiàn)出更好的自清潔能力。本文這項(xiàng)工作提供了納米結(jié)構(gòu)硬度的調(diào)節(jié)方法和自清潔表面的制造的新途徑,其在紡織工業(yè),機(jī)器人工業(yè)和組織工程領(lǐng)域中都具有應(yīng)用前景。
【圖文】：

- 4 -圖 1.1 天然植物及其表面形態(tài)。(a)蓮葉。(b)荷葉掃描電子顯微鏡(SEM)。(c)阿努比亞葉。(d)阿努比亞葉的 SEM 照片。(e)在超疏水表面和超親水性表面上自我清潔表面。Fig. 1.1 Natural plants and their surface morphology. (a) Lotus leaf. (b) Scanningelectron microscopy (SEM) picture of lotus leaves. (c) Anubias leaves. (d) SEM pictureofAnubias leaves. (e) Demonstration of self-cleaning on a superhydrophobic surface and asuperhydrophilic surface.1.2.1 表面有水自清潔水是最豐富和最自由的液體系統(tǒng)，具有最佳的密度和極性，正被用作清除表面上不同類型污染物的基本介質(zhì)。在自然界中，，許多巧妙的設(shè)計(jì)將表面特性與水能學(xué)結(jié)合起來，以沖刷材料表面。荷葉[29, 30]是最早發(fā)現(xiàn)和研究的自清潔生物表面之一，它使用特定的水-表面相互作用來清潔葉子的表面。Young 等人[31-34]提出了

圖 1.3 仿生自清潔表面。(a)通過軟平版印刷制造。(b)通過電刷鍍和黑化工藝制造。(b)通過電刷鍍和黑化工藝制造。(c)通過氧化鋁納米粒子制造。(d)通過碳納米管制造。Fig. 1.3 Biomimetic self-cleaning surfaces. (a) Fabricated through soft-lithographic imprinting.(b) Fabricated through an electro-brush plating and blackening process. (c) Fabricatedthrough aluminium oxide nanoparticles. (d) Fabricated through carbon nanotubes.圖 1.3 總結(jié)了最近報(bào)道的一些引人注目的方法。Liu 等人[48]使用先進(jìn)的軟平版印記技術(shù)來制作仿生和自清潔表面(圖 1.3a)。合成的具有印跡突起的表面緊密地模仿了荷葉結(jié)構(gòu)。表面突起的存在大大增加了位于該表面上的水滴的接觸角，這是由于水滴和粗糙表面之間夾雜的空氣，其與荷葉具有相同的原理。圖 1.3b 顯示了Wei 等人[49]通過電刷鍍和黑化工藝構(gòu)建的具有類似結(jié)構(gòu)基底。圖 1.3c，d 提供了由Alexander 等人[50]制造的涂覆有氧化鋁納米顆粒的表面和由Lau等人[51]研究的碳納米管(CNT)覆蓋的自清潔表面的實(shí)例。圖 1.3 中的所有樣品都是基于疏水性表面的自清潔材料。與疏水的自清潔材料相比，由于高表面張力要求，親水表面在制造方法上沒有太多變化。包括 TiO2，SiO2，ZnO，VO2，Ag 和聚多巴胺包裹的十八
【學(xué)位授予單位】：中國石油大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：Q811;TB383.1

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4 耿

本文編號：2591015