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PDMS仿生表面及其在防护领域的应用进展

精细化工 2024年第3期41卷 558-571页

作者：张徐靖韩惠聪匡卫田荟琳王鑫齐鲁工业大学(山东省科学院)轻工学部、生物基材料与绿色造纸国家重点实验室山东济南250353

近年来,生物启发的仿生功能表面设计与制备已经成为一个重要且引人注目的研究领域,在日常生活、工业及农业等领域具有广泛的应用。聚二甲基硅氧烷(PDMS)由于其高柔顺性、低表面能和化学稳定性,在仿生表面功能改性方面得到了广泛认可。... 详细信息

近年来,生物启发的仿生功能表面设计与制备已经成为一个重要且引人注目的研究领域,在日常生活、工业及农业等领域具有广泛的应用。聚二甲基硅氧烷(PDMS)由于其高柔顺性、低表面能和化学稳定性,在仿生表面功能改性方面得到了广泛认可。该文综述了PDMS微纳粗糙型仿生表面和光滑型仿生表面的制备与性能调控方法及其在防腐、防冰、防生物污染和光学设备领域的防护应用进展。对比了不同类型的PDMS仿生表面制备方法的优缺点。阐述了表面性能的调控策略,并对其存在问题和发展趋势进行了总结和展望。

关键词：聚二甲基硅氧烷仿生表面防腐防冰防生物污染

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仿生表面织构在农林机械中的研究现状

农机化研究 2024年第3期46卷 1-7页

作者：张桔帮王海军陈文刚尹红泽井培尧西南林业大学机械与交通学院昆明650224

近年来,仿生学研究发现,生物在漫长的生存进化过程中,体表进化出许多具有优异摩擦学性能的表面织构,为机械材料摩擦学行为研究提供了大量的参考蓝本,仿生表面织构也成为了减摩减阻及摩擦学性能的重要手段。为此,基于国内外对仿生表面织... 详细信息

近年来,仿生学研究发现,生物在漫长的生存进化过程中,体表进化出许多具有优异摩擦学性能的表面织构,为机械材料摩擦学行为研究提供了大量的参考蓝本,仿生表面织构也成为了减摩减阻及摩擦学性能的重要手段。为此,基于国内外对仿生表面织构的研究,笔者概述了仿生表面织构的类型、发展、减摩减阻机理及应用,介绍了仿生表面技术在农林机械中的发展运用,总结了当前研究的不足并提出展望。

关键词：仿生表面减摩减阻农林机械

仿生表面结构设计对液滴冷凝及收集行为的影响

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表面技术 2023年第8期52卷 355-362,379页

作者：周鹏胡建华李蓓武汉理工大学材料科学与工程学院武汉430070 华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室武汉430070

目的提高仿生表面液滴冷凝及收集效率。方法借鉴典型生物微纳结构及表面特性,采用分子动力学方法,建立水汽冷凝演化模型,分析纳米阵列形貌、亲疏水比及楔形顶角对液滴冷凝及收集行为的影响。结果液滴在方形阵列结构中易钉扎,不利于去除... 详细信息

目的提高仿生表面液滴冷凝及收集效率。方法借鉴典型生物微纳结构及表面特性,采用分子动力学方法,建立水汽冷凝演化模型,分析纳米阵列形貌、亲疏水比及楔形顶角对液滴冷凝及收集行为的影响。结果液滴在方形阵列结构中易钉扎,不利于去除;在矩形阵列结构中具有较好的流动性,且相对方形阵列表面凝结量提升了30.8%。随着亲疏水比θ的增加,沉积在阵列间隙的水分子数增多,钉扎效应加剧,更易形成膜状冷凝;相反地,θ越小,液滴倾向形成滴状冷凝并呈现Cassie态。调整楔形阵列的顶角α可以有效实现液滴的定向运动。当α为3°或6°时,楔形结构能够产生足够的Laplace压力差,驱使液滴定向运动;当α为9°或12°时,能够引导液滴在楔形结构尾端聚集,并融合成更大尺寸的液滴,凝结量相对α为0°分别提升了210.7%和193.0%,收集效率显著提高。相比于单一的仿生表面,结合沙漠甲虫和仙人掌的耦合集水策略设计出的双重仿生结构在凝结量及最大液滴尺寸上均有明显提升,有效提高了液滴的冷凝及收集效率。结论通过调节纳米阵列形貌和楔形顶角,并合理设置亲疏水比,可有效提高液滴冷凝及收集效率。研究结果为强化冷凝功能的仿生表面设计提供了一定的理论指导。

关键词：仿生表面纳米阵列亲疏水比楔形顶角冷凝定向运动分子动力学模拟

具有仿生内表面结构的弯管抗冲蚀特性数值分析

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表面技术 2023年第5期52卷 90-100页

作者：郭姿含张军黄金满李晖集美大学海洋装备与机械工程学院福建厦门361021 福建省能源清洁利用与开发重点实验室福建厦门361021 厦门安麦信自动化科技有限公司福建厦门361021

目的管道冲蚀是气固两相流动中不可忽视的重要问题,直接影响管路系统的安全运行及管道的使用寿命。针对这一问题,从仿生学角度,参照沙漠红柳、沙漠蝎子等的体表形态,设计三角形槽、矩形槽、等腰梯形槽3种抗冲蚀特性的弯管仿生表面结构... 详细信息

目的管道冲蚀是气固两相流动中不可忽视的重要问题,直接影响管路系统的安全运行及管道的使用寿命。针对这一问题,从仿生学角度,参照沙漠红柳、沙漠蝎子等的体表形态,设计三角形槽、矩形槽、等腰梯形槽3种抗冲蚀特性的弯管仿生表面结构。方法运用CFD-DPM方法,采用Finnie冲蚀模型,考虑颗粒与流体的双向耦合作用,对所设计的具有仿生表面结构的弯管抗冲蚀特性进行模拟,并考虑不同流速、颗粒质量流量对冲蚀的影响。在数值模拟基础上,采用正交试验法分析三角形槽仿生结构的3个主要参数对抗冲蚀特性的影响。结果数值模拟结果表明,具有仿生表面结构的弯管冲蚀主要出现在弯头35°~60°区域槽的底部。3种槽表面仿生结构均可提高弯管的耐磨性,三角形槽的抗冲蚀特性最佳,提高了约38.33%,矩形槽次之,提高了约28%,等腰梯形槽最差,仅提高了约8.33%,且3种仿生表面结构的抗冲蚀性能优劣次序不随流速和颗粒质量流量的变化而变化;正交试验结果表明,在三角形槽中影响冲蚀的因素依次为槽间距、槽宽、槽深,最佳组合结构的抗冲蚀性能相较于普通弯管提升了约41.5%。结论槽形仿生表面结构减小了颗粒与壁面的碰撞,降低了碰撞速度,从而减小了冲蚀。抗冲蚀性能最优的表面仿生结构为三角形槽,矩形槽次之,等腰梯形槽最差。在三角形槽中影响冲蚀的因素依次为槽间距、槽宽、槽深。该研究可对弯管的抗冲蚀特性设计提供新的思路。

关键词：弯管 CFD-DPM 冲蚀气固两相流仿生表面数值模拟三角形槽

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仿生表面的离心风机叶轮抗冲蚀性能研究

表面技术 2021年第8期50卷 84-94页

作者：秦晓静江佳廉张俊秋吉林大学长春130022 东风日产乘用车公司武汉430000

目的针对传统方法对提高离心风机叶轮抗冲蚀性能效果不显著的问题,从仿生学角度出发,对基于沙漠红柳优异抗冲蚀机理的仿生离心风机叶轮抗冲蚀性能进行了研究。方法对沙漠红柳、垂柳树皮进行顺纹拉伸和冲蚀试验,定性定量分析沙漠红柳抗... 详细信息

目的针对传统方法对提高离心风机叶轮抗冲蚀性能效果不显著的问题,从仿生学角度出发,对基于沙漠红柳优异抗冲蚀机理的仿生离心风机叶轮抗冲蚀性能进行了研究。方法对沙漠红柳、垂柳树皮进行顺纹拉伸和冲蚀试验,定性定量分析沙漠红柳抗冲蚀磨损性能。基于对沙漠红柳树干、树枝体表形态表征测试,建立仿生表面模型,并利用Fluent对其进行数值模拟,比较分析不同仿生表面模型的冲蚀磨损性能及机理。参照ASTM-G76-83标准,设计制造离心风机冲蚀磨损试验装置。并基于有限元仿真结果和风机叶轮冲蚀性能的可视化研究,优化并制造离心风机仿生叶轮,对其进行冲蚀试验,评价分析各试验因素对叶轮冲蚀性能的影响。结果沙漠红柳树皮弹性模量(509.17 MPa)大于垂柳树皮弹性模量(313.19 MPa),沙漠红柳冲蚀磨损量最大值(21.6 mg)小于垂柳冲蚀磨损量的最小值(24.1 mg),表明沙漠红柳具有较优的抗冲蚀性能。进一步观测沙漠红柳树皮形貌,发现其体表分布有大量的凹槽和凸包等特殊形态,通过模拟发现,这些特殊形态相较于光滑表面,可有效降低粒子对表面的冲蚀磨损量。基于对样件的冲蚀试验发现,影响叶轮冲蚀性能的主次因素依次为:单元形态、间距、特征尺寸。最优样件组合为:V形槽、间距2 mm、特征尺寸4 mm。结论沙漠红柳树皮具有优异的抗冲蚀性能,这与其体表特殊形态紧密相关。基于沙漠红柳体表特殊形态设计的仿生离心风机叶轮较光滑叶轮,具有优异的抗冲蚀性能,经测试发现,最优组合样件的抗冲蚀性能较传统的光滑件提高了28.97%。

关键词：仿生表面沙漠红柳离心风机叶轮抗冲蚀性能体表形态数值模拟试验优化设计

仿生超滑表面（SLIPS）的制备及其在海洋微生物污损和腐蚀防护中的研究

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仿生超滑表面（SLIPS）的制备及其在海洋微生物污损和腐蚀防护中...

作者：江昊海南大学

学位级别：硕士

发展海洋科技是建设海洋强国的基础,已经被提升到前所未有的战略高度,海工装备、海洋工程等新兴领域也正在迅速兴起;然而,材料在海洋中的污损和腐蚀问题严重阻碍了其发展。近年来,受猪笼草启发的仿生超滑表面(SLIPS)已被证明能够有效抑... 详细信息

发展海洋科技是建设海洋强国的基础,已经被提升到前所未有的战略高度,海工装备、海洋工程等新兴领域也正在迅速兴起;然而,材料在海洋中的污损和腐蚀问题严重阻碍了其发展。近年来,受猪笼草启发的仿生超滑表面(SLIPS)已被证明能够有效抑制海洋微生物附着,构建SLIPS是一种有效的绿色环保防污技术,但传统SLIPS的润滑油膜稳定性差、低表面能改性反应条件苛刻,限制了其实际应用。本论文提出了一种SLIPS的改性制备方法,并进一步构建了具备自修复性能的聚氨酯基仿生超滑表面(PU-SS),研究了其对海洋微生物污损和腐蚀的影响。具体研究内容如下:(1)基于改性纳米二氧化硅(SiO)构建抑制微生物污损和腐蚀的SLIPS。采用点击化学反应在纳米SiO表面接枝乙烯基硅油(Vi-PDMS);将改性纳米SiO喷涂在预固化的环氧树脂表面构建粗糙微/纳米结构;注入硅油获得所制备的SLIPS。通过FT-IR、XPS和EDS证明了纳米SiO表面成功接枝了Vi-PDMS。以假交替单胞菌(Pseudoalteromonas sp.)作为微生物模式菌,经过14天模拟静态和动态海洋环境的微生物附着测试后,SLIPS表现出优异的微生物附着抑制性能,附着抑制率分别为98.56%和98.69%。电化学交流阻抗谱测试(EIS)结果显示SLIPS在假交替单胞菌培养液中浸泡14天后依然具备优异的耐腐蚀性能。(2)具有自修复性能、抑制微生物污损和腐蚀的PU-SS的构建和性能研究。将特殊分子链结构的梯度聚合物(P(LA-grad-TMC))作为软链段合成具有自修复性能的聚氨酯材料(P(LA-grad-TMC)-PU);再将硅油润滑剂封装在聚氨酯高分子网络中获得所制备的PU-SS;通过C NMR、H NMR、DSC证明了梯度聚合物和聚氨酯的成功合成,通过3D激光共聚焦显微镜证明了PU-SS在40℃时具有非常优异的自修复性能(10分钟内完成自修复);通过稳定性测试证明了PU-SS在自修复和不同盐度、p H值的海水中浸泡24小时后都具备良好的超滑性能;PU-SS在经过14天模拟静态和动态微生物附着测试后的附着抑制率分别达到99.64%和99.65%;EIS测试结果显示PU-SS在假交替单胞菌培养液中浸泡14天后依旧具备优异的耐腐蚀性能;扫描开尔文探针测试(SKP)验证了PU-SS对基体碳钢的腐蚀保护机制和在大气环境中的耐腐蚀性能。两种无毒害性的抑制微生物污损和腐蚀的仿生超滑表面的制备、性能测试和机理研究为我们后续制备应用于海洋装备和海洋工程的新型防污损和腐蚀材料奠定了理论基础,并做了一定的技术储备,有望将这种新型技术发展并应用在海洋科技领域。

关键词：防污涂层超滑表面自修复防腐蚀涂层仿生表面 SLIPS

两性离子自组装仿生表面的制备、表征及抗黏附性能

同方学位论文库评论

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同方学位论文库

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高等学校化学学报 2014年第7期35卷 1484-1491页

作者：吴雅露李光吉刘云鸿陈达杨华南理工大学材料科学与工程学院广州510640

设计与合成了磺酸甜菜碱型的两性离子化合物:N,N-二甲基氨甲酸乙酯基丙基三乙氧基硅烷磺酸内盐(SiNNS),利用红外光谱(FTIR)和氢核磁共振波谱(1H NMR)对其分子组成与结构进行了表征.通过自组装技术将SiNNS分子构筑在玻璃基材表面,形成了... 详细信息

设计与合成了磺酸甜菜碱型的两性离子化合物:N,N-二甲基氨甲酸乙酯基丙基三乙氧基硅烷磺酸内盐(SiNNS),利用红外光谱(FTIR)和氢核磁共振波谱(1H NMR)对其分子组成与结构进行了表征.通过自组装技术将SiNNS分子构筑在玻璃基材表面,形成了模拟细胞外层膜的仿生表面.利用原子力显微镜(AFM)、X光电子能谱(XPS)和接触角测量仪对表面的形貌特征、化学组成和润湿性进行了表征.以空白玻璃为对照样品,研究了这一表面的防雾性能和抗细菌黏附性能.结果表明,所制备的两性离子自组装仿生表面具有超亲水性和水下超疏油特性,其水滴接触角为9.2°,水下油滴接触角接近180°;与对照样品相比,两性离子自组装表面具有优异的防雾性与抗细菌黏附性.

关键词：甜菜碱型两性离子自组装仿生表面超亲水抗细菌黏附性

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超疏水仿生表面制造及其应用

稀有金属材料与工程 2018年第6期47卷 1866-1871页

作者：马国佳刘星张伟孙刚北京航空制造工程研究所高能束流加工技术重点实验室北京100024

采用等离子体反应气相沉积和飞秒激光技术分别对低表面能薄膜和方柱形微结构在钛合金上进行了制备。利用扫描电镜(SEM)对样品的表面形貌进行了表征。使用滴定角法对样品的疏水性能进行了评估。同时也对薄膜材料的力学性能进行了检测,获... 详细信息

采用等离子体反应气相沉积和飞秒激光技术分别对低表面能薄膜和方柱形微结构在钛合金上进行了制备。利用扫描电镜(SEM)对样品的表面形貌进行了表征。使用滴定角法对样品的疏水性能进行了评估。同时也对薄膜材料的力学性能进行了检测,获得了最佳工艺,并将上述2种技术复合,在钛合金上制备了仿生超疏水表面。结果表明:采用低表面能薄膜与微结构复合的方法,可以获得超疏水性能优异的钛合金表面,带有Cu薄膜的方柱形微结构水接触角可以达到156°,滚动角可达到8°。

关键词：超疏水仿生表面飞秒激光低表面能薄膜

耐寒刚竹叶的仿生表面制备及其抗冷凝防冰性能研究

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耐寒刚竹叶的仿生表面制备及其抗冷凝防冰性能研究

作者：张小伟江苏科技大学

学位级别：硕士

冷凝结冰是高湿低温环境下的一种常见现象,它是指空气中的水蒸气遇冷发生液态和固态的一种转变。金属表面积聚露水导致的覆冰问题会造成严重的安全问题以及降低工程效率。受自然生物学启发的仿生超疏水表面在日常生活中已经显示出巨大... 详细信息

冷凝结冰是高湿低温环境下的一种常见现象,它是指空气中的水蒸气遇冷发生液态和固态的一种转变。金属表面积聚露水导致的覆冰问题会造成严重的安全问题以及降低工程效率。受自然生物学启发的仿生超疏水表面在日常生活中已经显示出巨大的潜力。由于其在海上设备,远洋运输,电力传送,通讯和能源领域的应用前景,引起了众多研究团队的兴趣。同时,由于各种制造方法的熟练掌握,超疏水表面的蓬勃发展已经被广泛证实。竹叶因其具有良好的耐寒特性被古人所赞颂。为找寻刚竹叶能抵御恶劣严寒天气的原因,本文对刚竹叶的表面微观形貌,润湿特性和冷凝防冰行为进行了观察与实验。研究发现,刚竹叶表面的蜡质层,微米结构和片状纳米结构导致了冷凝防冰性能的差异。在竹叶的反面,超疏水性增大了液滴冷凝成核的热力学势垒,表面的蜡质层和微米结构减少了液滴与表面的接触面积,片状纳米结构可以提供拉普拉斯压力驱使液滴朝上运动。因此合理的微纳米结构和低表面能改性可以促进液滴的弹跳,减少了金属表面水滴的聚集。液滴在竹叶表面的接触面积又会影响到水滴的冻结速率。为了进一步探究刚竹叶表面的冷凝防冰特性与其微纳结构,低表面能物质以及润湿性的关系。基于通过SEM观察后得到的刚竹叶微观图,采用激光烧蚀加工构建仿生复合结构,随后使用豆蔻酸进行修饰,制备出仿刚竹叶微结构。采用自制的冷凝/防冰实验平台对仿刚竹叶微结构表面的性能进行测试。试验结果显示,增加表面的疏水性可以显著提高水蒸气成核时的热力学势垒,从而延缓表面水蒸气的成核;低表面能物质减小了液滴扩张和收缩运动的阻滞功,使得液滴的反弹效率最高达到21%,接触时间仅为10.75ms。在防冰过程中,液滴在金属表面的实际接触面积会影响液滴的冻结速率,接触面积越小冻结速率越慢,相比于裸基板,结冰时间延长了8倍。

关键词：耐寒润湿性微纳结构仿生表面抗冷凝防冰