仿生超疏水表面具有非潤濕性和低粘附特性,因此在防水、自清潔、水下滑移減阻、微流控制、微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。為此,本文研究了仿生超疏水表面的制備、疏水穩(wěn)定性及其在沸騰制冷中的應(yīng)用,主要工作如下：（1）在濕法刻蝕和超聲空化的基礎(chǔ)上,提出了超聲刻蝕法來制備微納米分級結(jié)構(gòu),并以幾種鋼鐵為例,成功地構(gòu)建出了具有分級粗糙度的仿生超疏水表面。與常規(guī)濕法刻蝕相比,超聲刻蝕的化學(xué)刻蝕作用因與空化作用耦合而得到強(qiáng)化和改變,能夠有效地腐蝕晶界和亞晶界,因此能夠在固體表面構(gòu)建出獨(dú)特的微、納米分級結(jié)構(gòu)。（2）建立了柱狀陣列結(jié)構(gòu)的超疏水界面單元模型,通過將界面中的液-氣部分規(guī)范為具有自適應(yīng)性的彎月面,從力學(xué)和熱力學(xué)的角度對Cassie界面的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,Cassie狀態(tài)下的界面力學(xué)穩(wěn)定性主要由固體的表面自由能、粗糙結(jié)構(gòu)的三相接觸線密度決定,并受到固相面積分?jǐn)?shù)和微結(jié)構(gòu)幾何形狀的影響。壓力驅(qū)動Cassie狀態(tài)由基態(tài)向高能態(tài)轉(zhuǎn)變的過程中,界面能量的升高會形成彎月面能量勢壘,這一界面能量勢壘決定了Cassie狀態(tài)的熱力學(xué)穩(wěn)定性。選用低表面能物質(zhì)、構(gòu)造分級結(jié)構(gòu)、細(xì)化微結(jié)構(gòu)尺寸、選擇倒梯形微凸起結(jié)... 

【文章來源】：西北工業(yè)大學(xué)陜西省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：147 頁

【學(xué)位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 研究背景和意義
        1.1.1 仿生學(xué)
        1.1.2 生物超疏水材料
    1.2 超疏水性理論與研究現(xiàn)狀
        1.2.1 超疏水性的定義
        1.2.2 楊氏接觸角
        1.2.3 多相和粗糙表面的接觸角
        1.2.4 接觸角滯后
        1.2.5 Cassie和Wenzel方程的局限性
    1.3 超疏水表面的制備
    1.4 超疏水表面的疏水穩(wěn)定性
        1.4.1 超疏水狀態(tài)
        1.4.2 Cassie界面
        1.4.3 Cassie-Wenzel潤濕過渡
        1.4.4 分級結(jié)構(gòu)的疏水穩(wěn)定性
    1.5 超疏水性的研究方法
    1.6 超疏水表面的應(yīng)用
    1.7 現(xiàn)有研究的不足
    1.8 本文的研究工作
第二章 超聲刻蝕法制備超疏水表面
    2.1 引言
    2.2 理論基礎(chǔ)
        2.2.1 空化與氣蝕作用
        2.2.2 濕法刻蝕
        2.2.3 表面低能修飾
    2.3 試驗(yàn)部分
        2.3.1 試劑與儀器
        2.3.2 表面粗糙化處理
        2.3.3 表面低能化修飾處理
        2.3.4 試樣的測試與表征
    2.4 結(jié)果與討論
        2.4.1 微觀形貌與超疏水性
        2.4.2 超聲法刻蝕形貌的分析
        2.4.3 超聲刻蝕的影響因素
        2.4.4 疏水、超疏水性的分析
    2.5 本章小結(jié)
第三章 Cassie狀態(tài)下超疏水界面的力學(xué)與熱力學(xué)穩(wěn)定性
    3.1 引言
    3.2 Cassie狀態(tài)的物理學(xué)基礎(chǔ)
        3.2.1 氫鍵與水分子團(tuán)簇
        3.2.2 分子尺度下的超疏水狀態(tài)
    3.3 Cassie界面的力學(xué)穩(wěn)定性
        3.3.1 疏水纖維外周的毛細(xì)作用力
        3.3.2 Cassie界面的毛細(xì)作力學(xué)模型
        3.3.3 微結(jié)構(gòu)幾何形貌的影響
    3.4 Cassie界面的熱力學(xué)穩(wěn)定性
        3.4.1 理論模型
        3.4.2 分級結(jié)構(gòu)的彎月面能量勢壘
    3.5 結(jié)果與討論
        3.5.1 壓力作用下Cassie狀態(tài)的界面自由能
        3.5.2 Cassie狀態(tài)下超疏水界面的穩(wěn)定性
    3.6 本章小結(jié)
第四章 超疏水界而的潤濕行為與穩(wěn)定性測試
    4.1 引言
    4.2 理論基礎(chǔ)
        4.2.1 超疏水界面的反射特性
        4.2.2 自組織臨界性(SOC)
    4.3 試驗(yàn)部分
        4.3.1 材料
        4.3.2 試驗(yàn)設(shè)備與方法
    4.4 結(jié)果與討論
        4.4.1 超疏水界面處的壓力等效原理
        4.4.2 試驗(yàn)結(jié)果
        4.4.3 理論值與誤差分析
        4.4.4 Cassie-Wenzel潤濕過渡的自組織臨界性
    4.5 本章小結(jié)
第五章 Cassie-Wenzel潤濕轉(zhuǎn)變中的界面能量勢壘
    5.1 引言
    5.2 理論與模型
        5.2.1 壓力驅(qū)動下的Cassie-Wenzel潤濕過渡
        5.2.2 Cassie-Wenzel潤濕過渡中的界面能量勢壘
    5.3 分級結(jié)構(gòu)下的能量勢壘
    5.4 能量勢壘的特性
        5.4.1 彎月面能量勢壘的可逆行
        5.4.2 毛細(xì)能量勢壘的方向性和耗散性
        5.4.3 氣相能量勢壘的復(fù)雜性
    5.5 本章小結(jié)
第六章 超疏水界面的空化作用與氣體富集
    6.1 引言
    6.2 理論基礎(chǔ)
        6.2.1 納米氣泡中的氣體來源與分離
        6.2.2 真空作用下氣泡存在的穩(wěn)定條件
    6.3 試驗(yàn)部分
        6.3.1 試驗(yàn)材料
        6.3.2 超疏水界面反應(yīng)的試驗(yàn)觀察
    6.4 結(jié)果與討論
        6.4.1 超疏水界面的空化與氣體富集
        6.4.2 超疏水界面的氣泡生長動力學(xué)
        6.4.3 超疏水界面的飽和蒸汽壓
        6.4.4 超疏水界面的等效分散度
    6.5 基于超疏水界面效應(yīng)的空氣加濕方法
    6.6 本章小結(jié)
第七章 真空氛圍下超疏水界面的沸騰與制冷效應(yīng)
    7.1 引言
    7.2 理論基礎(chǔ)
        7.2.1 液體沸騰的條件
        7.2.2 Leidenfrost現(xiàn)象與超疏水現(xiàn)象
    7.3 試驗(yàn)部分
        7.3.1 試驗(yàn)材料
        7.3.2 真空氛圍下超疏水界面的沸騰
        7.3.3 真空氛圍下超疏水界面的沸騰制冷
    7.4 結(jié)果與討論
        7.4.1 疏水、超疏水界面的沸騰
        7.4.2 疏水、超疏水界面的沸騰制冷
    7.5 真空沸騰制冷的物理模型
    7.6 基于超親水、超疏水表面的沸騰制冷方案
    7.7 本章小結(jié)
第八章 論文總結(jié)與研究展望
    8.1 全文總結(jié)
        8.1.1 論文的主要內(nèi)容
        8.1.2 論文的創(chuàng)新點(diǎn)
    8.2 論文的不足與研究展望
        8.2.1 論文的不足
        8.2.2 研究展望
參考文獻(xiàn)
附錄 水的飽和蒸汽壓表
攻讀博士學(xué)位期間的科研成果
攻讀博士期間參與的科研項(xiàng)目
致謝


【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]金屬基體超疏水表面制備及應(yīng)用的研究進(jìn)展[J]. 徐文驥,宋金龍,孫晶,竇慶樂.  材料工程. 2011(05)
[2]超疏水納米結(jié)構(gòu)表面池沸騰特性[J]. 陳粵,劉俊威,莫冬傳,呂樹申.  工程熱物理學(xué)報(bào). 2011(04)
[3]超疏水性材料表面的制備、應(yīng)用和相關(guān)理論研究的新進(jìn)展[J]. 范治平,魏增江,田冬,肖成龍,孫曉玲,陳承來,劉偉良.  高分子通報(bào). 2010(11)
[4]超疏水低粘著銅表面制備及其防覆冰性能[J]. 張友法,余新泉,周荃卉,李康寧.  物理化學(xué)學(xué)報(bào). 2010(05)
[5]化學(xué)/電化學(xué)腐蝕法快速制備超疏水金屬鋁[J]. 張芹,朱元榮,黃志勇.  高等學(xué)�；瘜W(xué)學(xué)報(bào). 2009(11)
[6]金屬表面硅烷處理技術(shù)[J]. 朱丹青,Wim J.van Ooij,王一建,陸國建,沈泉飛,支波.  電鍍與涂飾. 2009(10)
[7]Zn片經(jīng)水熱反應(yīng)和氟硅烷修飾構(gòu)建超疏水ZnO表面[J]. 周思斯,管自生,李強(qiáng),陸春華,許仲梓.  物理化學(xué)學(xué)報(bào). 2009(08)
[8]水力機(jī)械空化空蝕問題的研究進(jìn)展[J]. 袁丹青,陳向陽,白濱,叢小青.  排灌機(jī)械. 2009(04)
[9]超疏水表面的制備方法[J]. 石璞,陳洪,龔惠青,袁志慶,李福枝,劉躍軍.  功能高分子學(xué)報(bào). 2008(02)
[10]固液界面納米氣泡的研究進(jìn)展[J]. 張雪花,胡鈞.  化學(xué)進(jìn)展. 2004(05)



本文編號：3484964