自然界中許多生物表面都呈現(xiàn)出微陣列結(jié)構(gòu)的非光滑特征,陣列結(jié)構(gòu)的不同形狀、尺寸、間距及排列方式等使得生物表面呈現(xiàn)出各種獨(dú)特的潤濕特性,例如超疏水性、超親水性、各向異性潤濕性和定向潤濕性等。而其中以沙漠甲蟲、水稻葉等表面為代表的非均勻潤濕性微陣列表面可實(shí)現(xiàn)液滴的滾動控制和定向運(yùn)輸以及霧氣收集等操控行為,其作用原理在生化合成、干旱多霧地區(qū)水資源收集、油水分離等新興領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。然而目前非均勻潤濕性表面的制備過程復(fù)雜,基于金屬基底的制備研究較少。本論文受沙漠甲蟲、水稻葉等典型生物表面啟發(fā),在金屬基體加工制備非均勻潤濕性微陣列表面,系統(tǒng)地對它們在液滴操控及各向異性摩擦磨損等方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究。本文首先利用FeCl3化學(xué)刻蝕和激光定域去除結(jié)合的方法,在45#鋼基體上制備了非均勻潤濕性微陣列表面,并對其液滴運(yùn)輸特性進(jìn)行了研究。通過調(diào)節(jié)腐蝕及修飾時(shí)間實(shí)現(xiàn)表面滾動角從3°～50°范圍的可控變化。實(shí)驗(yàn)表明,更寬的親水凹槽寬度及更大的表面黏度亦可增大滾動角各向異性。所制備的楔形微陣列表面可實(shí)現(xiàn)液滴定向運(yùn)輸并在傾斜角為0°-15°范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)液滴的逆重力搬運(yùn);隨著楔形角從2°增大到8°,液滴最大速率從... 

【文章來源】：吉林大學(xué)吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：95 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

自然界中的特殊潤濕現(xiàn)象（a）具有超疏水特性的荷葉表面；（b）具有超親水特性的泥炭蘚表面；（c）具有非均勻潤濕性的沙漠甲蟲表面；（d）具有定

第1章緒論3節(jié)，他們實(shí)現(xiàn)了液滴的抓取與釋放等操作[28][29]。吉林大學(xué)的Wu等人利用雙光干涉激光加工技術(shù)加工出PDMS微柱陣列，實(shí)驗(yàn)中通過彎曲表面增大微陣列間距減小水滴與微陣列之間的接觸面積使黏附力和滾動角顯著降低，實(shí)現(xiàn)表面由高黏附向低黏附轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)表面變形驅(qū)動的液滴無損轉(zhuǎn)移[16][30]。圖1.2基于表面形變的液滴控制（a）不同曲率下液滴接觸狀態(tài)的變化示意圖；（b）液滴滾動角隨曲率變化圖1.2.2場響應(yīng)驅(qū)動液滴操控外場刺激驅(qū)動液滴操控是指利用外場刺激（如pH、溫度、電場及磁場等）使材料表面化學(xué)成分、微結(jié)構(gòu)或固-液表面張力原位改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)固-液界面黏附性控制及液滴操控的方法[32][33]。（1）電場響應(yīng)約翰霍普金斯大學(xué)的Luo等人制備的低密度MHA表面在不同的施加電勢下顯示出較大的接觸角滯后變化。接觸角滯后的調(diào)節(jié)是通過固-液界面處的局部分子重組來實(shí)現(xiàn)的，它可以響應(yīng)電位而無需任何預(yù)先定義的圖案化電極。通過電位調(diào)節(jié)可以使液滴拉伸和收縮，呈現(xiàn)出類似蠕蟲運(yùn)動的形態(tài)[34]。（2）磁場響應(yīng)通過施加磁場可對磁流體液滴直接控制，可原位改變磁響應(yīng)顆粒，動態(tài)調(diào)整微/納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對液滴黏附性的改變[35]，從而實(shí)現(xiàn)對液滴的操縱和運(yùn)輸。麻省理工學(xué)院的Zhu等人在彈性聚二甲基硅氧烷（PDMS）基體上制備了具有磁響應(yīng)的鐵磁微柱陣列，通過調(diào)節(jié)磁場角度改變微柱陣列取向，實(shí)現(xiàn)對液滴滾動阻力

吉林大學(xué)碩士論文4的調(diào)節(jié)，同時(shí)還可動態(tài)控制液體擴(kuò)散過程[36]。圖1.3磁響應(yīng)液滴操控（a）在不同磁場方向作用下液滴的單向移動現(xiàn)象；（b）不同磁場方向作用時(shí)液滴黏附力變化（3）溫度響應(yīng)首爾國立大學(xué)的Kim等人利用熱響應(yīng)性聚合物PNIPAA組成等邊三角形微棱鏡陣列，并在其一側(cè)覆蓋上金屬膜，由于兩個表面上的臨界接觸角不同，通過控制溫度，利用熱敏聚合物的潤濕特性變化實(shí)現(xiàn)了液體的單向流動[37]。（4）pH響應(yīng)中國科學(xué)院大學(xué)的Liu等人將pH刺激響應(yīng)的聚合物刷接枝在粗糙的陽極氧化鋁表面上，制備出pH響應(yīng)液滴黏附力可控表面，當(dāng)酸性或中性液滴接觸表面時(shí)，聚合物鏈呈溶脹狀態(tài)，表面呈現(xiàn)高黏附性；而當(dāng)外加少量的NH3液滴進(jìn)入酸性液滴使混合液滴的pH增加到高于12時(shí)，聚合物鏈轉(zhuǎn)變?yōu)樗轄顟B(tài)，從而導(dǎo)致混合堿性液滴在表面滑動[38]。華南理工大學(xué)的Wu等人提出聚電解質(zhì)刷中的垮鏈氧鍵網(wǎng)可由pH誘導(dǎo)重組，從而通過pH改變實(shí)現(xiàn)對聚電解質(zhì)刷修飾的表面的液滴黏附性的原位調(diào)控[39]。圖1.4pH響應(yīng)液滴控制（a）選擇性拾取酸性液滴示意圖（b）相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)照片

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