【摘要】：受自然生物多樣性的啟發(fā),近年來(lái),越來(lái)越多的科研人員開始對(duì)生物獨(dú)特功能與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究。得益于自然生物如仙人掌刺、蜘蛛絲、和沙漠甲蟲具有獨(dú)特的形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)而可以從潮濕的霧氣環(huán)境中收集水分的啟發(fā),研究人員進(jìn)行了仿生材料的研究。另一方面,飛秒激光仿生微納加工具有精度高、速度快、高峰值功率、以及可以實(shí)現(xiàn)大陣列大范圍可控加工等優(yōu)勢(shì),因而可以取代傳統(tǒng)工藝相對(duì)復(fù)雜的物理或化學(xué)方法。本文采用超快速飛秒激光微納加工技術(shù)作為加工方法,選用鋁箔與PDMS(聚二甲基硅氧烷)復(fù)合材料作為加工對(duì)象,通過(guò)仿真等多次反復(fù)試驗(yàn)確定最佳的加工參數(shù),制備了具有特定功能的微納米多孔陣列結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了高效的霧水收集功能。全文的主要研究?jī)?nèi)容如下:首先指出霧水收集課題的研究意義及必要性,對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外霧水收集的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)做了分析,接著闡述了使用飛秒激光在制備霧水收集器件方面的研究進(jìn)展。其次分析了飛秒激光微納加工平臺(tái)及其相關(guān)部件的工藝參數(shù)。詳細(xì)闡述了飛秒激光中放大級(jí)光路系統(tǒng)的組成原理,以及分析各部件在實(shí)際微納加工中對(duì)光路調(diào)制與脈沖能量調(diào)節(jié)所起的一些作用,介紹了飛秒激光微納加工平臺(tái)的三大模塊即飛秒激光系統(tǒng)、精密加工系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。接著在實(shí)驗(yàn)中利用有限元多物理場(chǎng)仿真軟件COMSOL Multiphysics5.3版本研究了單脈沖與多脈沖對(duì)鋁箔表面產(chǎn)生的微孔形貌的影響和脈沖峰值以及材料厚度對(duì)復(fù)合材料微孔形貌的影響。最后利用飛秒激光鉆孔技術(shù)在復(fù)合基底上制備了具有規(guī)整微孔陣列的復(fù)合雙面神膜,實(shí)現(xiàn)了霧氣的高效收集。該雙面神膜的上表面是一層疏水的PDMS,下表面是一層親水的鋁箔,因而呈現(xiàn)出相反的潤(rùn)濕特性。微孔陣列具有的特定錐孔形貌所產(chǎn)生的拉普拉斯力與膜兩面相反的潤(rùn)濕特性產(chǎn)生的潤(rùn)濕梯度力共同驅(qū)使液滴從膜上表面轉(zhuǎn)移到下表面。之后研究了復(fù)合雙面神膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)潤(rùn)濕特性的影響;進(jìn)行了單一潤(rùn)濕性膜與復(fù)合的潤(rùn)濕性膜在水滴收集現(xiàn)象與水霧收集效率方面的對(duì)比分析。結(jié)果顯示:這種復(fù)合雙面神膜呈現(xiàn)出一種自驅(qū)動(dòng)收集霧水功能,在霧氣收集效率方面提升了 178%。此外,該復(fù)合雙面神膜不需要特定的疏水試劑修飾,因而具有環(huán)境友好的特點(diǎn)。該項(xiàng)工作為飛秒激光微納加工在霧水收集應(yīng)用方面提供了一種解決方案。
【學(xué)位授予單位】：安徽大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN249
【圖文】：

獨(dú)特的自然屬性，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與功能的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，以幫助它們?cè)趪?yán)酷的自然環(huán)境逡逑中生存［｜°？。目前人們己對(duì)仙人掌、蜘蛛絲、沙漠甲蟲利用自身進(jìn)化形成的表面逡逑微納米結(jié)構(gòu)改變對(duì)水的親和力的機(jī)理進(jìn)行了深刻的研宄（如圖１．邋２所示）。仙人逡逑掌可以在干旱沙漠中利用其自身的錐形刺狀結(jié)構(gòu)從潮濕的自然環(huán)境中自發(fā)收集逡逑霧水。其獨(dú)特的霧水收集系統(tǒng)可以歸結(jié)為自身獨(dú)特的形貌結(jié)構(gòu)及表面多級(jí)微結(jié)逡逑構(gòu)。首先，微小的霧滴會(huì)沉積在倒刺上，隨著液滴不斷沉積的進(jìn)疔，液滴會(huì)增長(zhǎng)逡逑變大，進(jìn)而被輸送到中間的凹槽，由于凹槽上具有粗糙度的差異，會(huì)形成一種表逡逑面能梯度力，由于液滴所處的曲率不同又會(huì)形成拉普拉斯力的作用，在這些驅(qū)動(dòng)逡逑力的作用下水滴最終會(huì)被從頂端運(yùn)輸?shù)藉F刺底部的毛狀體部位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水滴的逡逑收集與儲(chǔ)存［１２］。潤(rùn)濕狀態(tài)下的蜘蛛絲由紡錘節(jié)與關(guān)節(jié)組成，其中紡錘節(jié)結(jié)構(gòu)由無(wú)逡逑２逡逑

納米布沙漠是世界上最干燥的沙漠之一，大約形成于八千萬(wàn)年前，現(xiàn)坐逡逑落于非洲最大的諾克魯夫特國(guó)家公園［￣６］。納米布沙漠甲蟲是一種以其獨(dú)特的集逡逑水能力而聞名于世的生物。通過(guò)圖１．１沙漠甲蟲背部的電鏡圖我們可以看到甲蟲逡逑背部凹凸不平的表面是由一種疏水的蠟狀物質(zhì)和親水物質(zhì)組成，這種親疏相間的逡逑表面對(duì)于水滴的捕獲和運(yùn)輸起到至關(guān)作用Ｍ７］。當(dāng)霧氣碰撞到親水區(qū)域時(shí)，霧滴會(huì)逡逑快速的沉積在親水區(qū)域，隨著液滴的不斷增長(zhǎng)變大，長(zhǎng)大到足以克服表面的毛細(xì)逡逑力作用時(shí)從親水區(qū)域滾到疏水區(qū)域，而疏水區(qū)域又可以將水滴輸送到另一個(gè)親水逡逑區(qū)域，如此周而復(fù)始，使得這種親疏相間的表面可以快速連續(xù)的從霧氣中收集水逡逑分并轉(zhuǎn)移到甲蟲嗬里，進(jìn)而維持體內(nèi)水分的供給。逡逑近年來(lái)，愈發(fā)緊迫的淡水危機(jī)推動(dòng)了[樗占衃偟姆⒄�。受道U鮮鱟勻喚玨義希炊參锏鈉舴

本文編號(hào)：2754232