动态自适应超疏水结构设计及其抗浸润机制研究

作     者：谭尧 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：崔家喜

授予年度：2021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）] 

主      题：超疏水表面 单凹纹理 高稳定性 低粘附性 自适应性 

摘      要：超疏水表面由于其特殊的结构与固-液界面性质,使其具有了表面自清洁、低粘附力、流体减阻等独特功能,令其在航海航天、工程运输等领域展现出了巨大的应用潜力。但是,超疏水表面从设计到应用过程中,仍存在诸多亟待解决的问题。其中,如何在苛刻的环境下维持表面疏水性能的稳定,已成为其能否应用于实际的关键。而在超疏水表面结构设计优化的研究中,超疏水表面一旦成型其超疏水性和稳定性就已经确定,设计之初只能牺牲疏水性能来确保其在严苛条件下的稳定性。针对这个问题,本论文拟设计一种以浸润压力为引导的自动调节自身结构来达到浸润稳定性与固-液粘附性动态平衡的超疏水表面,目的在于实现超疏水表面在正常条件下表面低粘附及提高苛刻条件下的抗浸润能力,以期解决其在实际应用过程中遇到的关键问题。本论文的主要研究内容如下:（1）有单凹结构的超疏水表面的简易制备与结构调控。本论文受Salvinia leaf表面能在雨天保持干燥的原理—Salvinia leaf表面微结构顶部对雨滴产生钉扎而提供能垒,防止雨滴塌陷浸润表面启发。在表面张力和重力的共同作用下,对微柱阵列结构进行仿Salvinia leaf的单凹结构修饰。针对所设计的单凹结构,探究了实现其大面积简易制备的设计参数区间,首先借助扫描电子显微镜对设计的纹理间距及高度区间参数结合理论进行分析,证明以“压印法制备的单凹结构尺寸灵活可控且形貌规整;其次,通过共聚焦显微镜观察液体对单凹结构表面的浸润过程,探索了单凹结构调控中气层对表面超疏水特性与抗浸润稳定性的影响。（2）自适应的超疏水微柱阵列表面的制备及其性能研究。在上一步具有单凹结构的超疏水表面研究的基础上,本工作通过软材料与硬材料的结合,模仿生物骨骼与肌肉对外力的响应,使表面具有对外力自发响应改变形状的性能,进而在一个表面上实现超疏水表面稳定性与固-液粘附性的动态平衡。实验中,我们通过表面张力仪对液体润湿态转变所需的外压进行测量,通过共聚焦显微镜对表面形变程度进行量化,通过高速相机对液滴撞击的液滴运动过程进行观察来表征表面稳定性。最后,我们还进行了一系列自适应性超疏水表面在实际应用过程中的模拟。自适应性超疏水表面的提出,为超疏水表面的设计提供了新思路,扩宽了其实际应用的范围。