滴状冷凝自集水硅基微纳米表面设计

作     者：龙芝剑 

作者单位：浙江工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董健

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：硅 超疏水 湿法腐蚀 凸角补偿 分形 

摘      要：受到“荷叶效应的启发,研究人员尝试用各种方法制备具有类似荷叶结构的仿生超疏水表面。然而,无论是制备仿生超疏水层的基体材料的选取,还是制备工艺的研究等等,都存在着大量的研究空白。众所周知,Si是一种疏水材料,而硅的氧化物(SiO)是一种亲水材料,因此,利用硅基制备微纳米自集水表面层具有理论的可行性,对于由Si与硅的氧化物(SiO)构成的微纳二级结构超疏水层的制备及其性能进行研究具有重大的意义,本文以此为研究对象,主要研究内容及成果如下:1、以硅片(100)为基底,研究湿法腐蚀工艺获取正四棱台微米结构的凸角补偿技术,基于Intellisense仿真软件,确定在(100)硅片上采用KOH各向异性腐蚀的掩膜版图形,并利用现有MEMS工艺进行实验制备,获得硅基底上的正四棱台微米级结构。2、以硅基四棱台微米结构为基底,制备了SiO纳米颗粒溶胶,利用喷涂法制备了SiO纳米层,在四棱台微米结构基础上构建纳米结构,形成了双层异质微纳二级结构,并对微纳二级结构超疏水性能进行了表征。3、利用所制备的微纳二级结构,建立了粗糙表面模型,基于图像处理技术结合分形理论,利用MATLAB编程对微纳二级结构的超疏水表面的分形维数进行了求解,为超疏水层的接触角计算提供了理论支持。4、通过冷凝实验,对不同分形维数下的微纳二级结构超疏水层进行接触角对比,冷凝效率对比以及集水率对比,得出超疏水性能最佳的微米结构尺寸。同时,分析得出,分形维数越大,对应超疏水性能越好、自集水效率越高、获得水的质量越高。并通过耐久测试,证明了设计的合理性。本论文在硅基底上构建了微米/纳米二级粗糙表面结构的超疏水表面层,结合分形理论对表面模型进行分析,通过冷凝实验验证了设计的有效性。利用硅材料制备同质异性超疏水层具有一定的新颖性和可行性,构筑微米/纳米级超疏水结构较之前毫米/纳米级结构也有实质性进步。该微纳表面可适用于冷凝器的自集水表面层。