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基于激光加工的仿生超疏水表面及减阻技术研究

基于激光加工的仿生超疏水表面及减阻技术研究

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作者：张腾蛟哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着科学技术的不断进步,仿生表面因其在医疗、体育、军事和交通运输上广阔的应用前景成为了很多学者研究的热门,如何制备和测试仿生表面的性能就成了大家关注的重点。本文针对于超疏水表面的减阻性能,利用激光刻蚀法在铝合金表面制备... 详细信息

随着科学技术的不断进步,仿生表面因其在医疗、体育、军事和交通运输上广阔的应用前景成为了很多学者研究的热门,如何制备和测试仿生表面的性能就成了大家关注的重点。本文针对于超疏水表面的减阻性能,利用激光刻蚀法在铝合金表面制备了超疏水表面并对其进行了减阻测试。本课题首先根据鱼鳞表面、荷叶表面和鲨鱼皮表面的形貌制作了对应的仿生表面,并探究了激光加工设备对表面形貌的影响,随后对仿生鱼鳞表面和仿生荷叶表面进行了浸润性测试得到了浸润性最优良时仿生荷叶尺寸为40um,接触角达到了157°,仿生鱼鳞表面尺寸为100um,接触角达到了158°进行了减阻测试得出了仿生鱼鳞表面方向性减阻效果,在顺鱼鳞和逆鱼鳞方向上减阻率之差可达到10%-15%。根据两种表面高流速下减阻率较低的现象提出了采用亲水-疏水结构的仿生荷叶表面提高高流速状态下的减阻效果,该结构可以将高速水流剪切走的气泡阻拦在亲水带一侧从而提高气-液接触面积。实际测试表明当亲水带为1mm间隔时能达到最好的减阻效果,在4.2m/s的流速下仍能保持35%左右的减阻率,而没有亲水-疏水结构的仿生荷叶表面在该流速下只有15%左右的减阻率。本课题还对仿生鱼鳞表面、仿生荷叶表面和亲水-疏水结构的仿生荷叶表面进行了COMSOL仿真,仿真结果也证明了实验测试的结果是正确的,并对仿真结果进行了解释。对于仿生鱼鳞表面,液体滚动时的状态更符合没有浸润的Cassie状态,气-液交互界面的面积较大,因此随着仿生鱼鳞尺寸的增大其减阻效果会更好,在尺寸为100um时减阻效果达到最佳,滑移长度最长。但当尺寸增大到120um左右时,逐渐转变到Wenzel状态,此时减阻效果会变差,滑移长度降低。此外,在逆鱼鳞方向不论何种尺寸的鱼鳞表面均没有发生滚动。对于仿生荷叶表面,其表面形貌类似于柱状微结构,定义其粗糙因子并带入Wenzel和Cassie模型进行计算可得出当元素尺寸越小时浸润性越好,但需和实际情况做折中。对于亲水-疏水结构的仿生表面,由于亲水沟道的存在,可以在局部形成较大的气-液接触面积从而提高在高流速下整体的减阻效果。

关键词：仿生超疏水表面亲水-疏水结构浸润性方向性减阻高速减阻

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