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科学通报 2021年第30期66卷 3916-3924页

作者：刘鑫源贾力徐金柱党超丁艺北京交通大学机械与电子控制工程学院热能工程研究所北京100044 微细尺度流动与相变传热北京市重点实验室北京100044

低表面能工质被广泛应用于各种工业和先进技术领域,如制冷剂喷雾冷却和微流控系统等,其润湿性和动力学行为的有效调控对提高分析过程的效率具有非常重要的作用.本文利用表面规则微孔的气流作用,调控低表面张力液滴的润湿行为,形成类超... 详细信息

低表面能工质被广泛应用于各种工业和先进技术领域,如制冷剂喷雾冷却和微流控系统等,其润湿性和动力学行为的有效调控对提高分析过程的效率具有非常重要的作用.本文利用表面规则微孔的气流作用,调控低表面张力液滴的润湿行为,形成类超疏悬浮状态,并对该现象中液滴运动行为及润湿性变化规律开展研究.类超疏悬浮状态中,液滴的运动行为演变可以分为悬停、振荡、弹跳、脱离4个阶段,本文探究了弹跳阶段液滴重力势能与表面能之间的转换关系.类比Young’s方程,提出了类超疏悬浮状态中的类接触角概念,用于研究液滴不同阶段的润湿行为变化规律,分析了在惯性力和表面张力影响下液滴类接触角与韦伯数的关系.

关键词：低表面张力液滴类超疏悬浮状态动力学行为润湿性

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低表面张力液滴类超疏悬浮状态实验研究

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科学通报 2021年

作者：刘鑫源贾力徐金柱党超丁艺北京交通大学机械与电子控制工程学院热能工程研究所微细尺度流动与相变传热北京市重点实验室

关键词：低表面张力液滴类超疏悬浮状态动力学行为润湿性

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异型微结构几何特征对液滴润湿行为的影响机理

异型微结构几何特征对液滴润湿行为的影响机理

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作者：王小伟北京交通大学

学位级别：硕士

疏液表面凭借其优异的性能被应用于许多工业领域,然而低表面张力工质液滴在常规结构表面容易发生润湿转变,形成高度浸润,很难实现疏液性能。仿生学研究表明,带有凹角的异型微结构表面能够使得较低表面张力的液滴维持悬浮状态,该表面可... 详细信息

疏液表面凭借其优异的性能被应用于许多工业领域,然而低表面张力工质液滴在常规结构表面容易发生润湿转变,形成高度浸润,很难实现疏液性能。仿生学研究表明,带有凹角的异型微结构表面能够使得较低表面张力的液滴维持悬浮状态,该表面可实现疏液性能。低表面张力液滴在微观结构表面的局部润湿行为直接决定了该表面的疏液性能,了解液滴在异型结构表面的润湿行为特征,探索异型结构各几何参数对液滴润湿行为的影响,对于完善润湿理论具有重要的学术意义,对于研发合适尺寸规模的异型微结构表面具有指导意义。本文以单凹角异型微结构和双凹角异型微结构为研究对象,采用理论分析、数值模拟、实验研究相结合的方法,探究了液滴在异型微结构表面自由铺展、润湿转变及倾斜滚动润湿行为特征,分析了异型结构几何参数尺寸规模对液滴润湿状态的影响机制,揭示了异型结构表面实现高效疏液性能的作用机理。数值模拟研究了液滴在常规结构表面和异型结构表面最终的呈现状态,对异型结构几何参数采用单一变量法展开局部润湿行为探索。结果表明:与常规柱状结构相比,异型结构能有效抑制液滴润湿转变的发生,使本征亲液性液滴保持悬浮状态,并展现出较大的表观接触角,且双凹角异型结构抑制液滴润湿转变的性能优于单凹角异型结构;增加结构宽度、悬臂长度、支柱高度,减小结构间距有利于抑制液滴润湿转变的发生;减小悬臂高度,增加结构间距和液滴尺寸有利于液滴发生持续滚动。理论分析研究了液滴在水平异型结构表面润湿过程的受力模型、润湿转变的能量势垒及液滴在倾斜异型结构表面滚动过程的综合能量变化。结果表明:异型结构的几何特征影响了气液界面的突破压力和能量势垒,进而影响了液滴的润湿转变行为;宽度较大且间距较小的异型结构表面抑制液滴润湿转变的优势更为明显,宽度的作用随着间距的增加逐渐消失;对于悬浮在异型结构表面的液滴,液滴本征接触角数值、液滴尺寸大小、结构类型、结构间距均会影响液滴悬浮状态的稳定性;液滴在倾斜表面发生滚动的驱动能量来自于表面自由能,表面自由能达到极大值往往对应液滴发生滚动的一瞬间,液滴自身震荡的动能对其滚动行为影响可忽略不计。采用光刻方法制备了硅基双凹角异型微结构表面,搭建了可视化研究系统,实验研究了不同浓度乙醇液滴在不同结构间距异型微结构表面的润湿行为。结果表明:异型结构表面可使得本征亲液性液滴实现疏液态;结构间距的减小虽有利于液滴Cassie态的形成,但不利于液滴滚动行为的发生;体积越大的液滴越容易在结构表面发生滚动;液滴润湿转变是从局部浸润至整体铺展的过程,因此维持表面结构完整性是衡量表面疏液性能的重要指标。

关键词：异型微结构低表面张力液滴润湿转变突破压力能量势垒动态行为

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