基于Boltzamnn方法的表面微纳结构对材料润湿性能的影响

采用格子Boltzmann方法从理论和数值计算角度探究了具有微柱阵列材料表面的润湿性,从而为材料表面形貌设计和加工提供参考。通过改变微柱的尺寸来探究材料表面的微纳结构与润湿性能的关系。采用Shan-Chen模型和D2Q9离散速度模型计算液滴的接触角。仿真结果表明对于疏水表面随着微柱的面积分数减小材料疏水性能增加,并且修饰微纳复合结构能使Cassie-Baxter状态更加稳定;对于亲水表面,增加微结构或微纳复合结构会使材料表面更加亲水。仿真结果和理论与现有实验结果一致。     

超疏水表面微纳结构设计与制备及润湿行为调控(Ⅱ)

超疏水表面因其优异的自洁排水性能可望在高科技领域和日常生活等方面有美好的应用前景。目前通过对荷叶表面微纳结构仿生已达到在亲水材料上制备超疏水表面的准商业化水平。然而,超疏水表面现有制备方法一般都工艺复杂和费用高昂,同时其超疏水性与其他材料性能很难相容,限制了其实际应用。对此,特别需要深入理论研究,优化设计表面微纳结构,同时充分利用外界作用调控其润湿行为,实现其在某些高科技领域的率先应用。针对超疏水表面研究的这些关键问题,重点评述了当前超疏水表面理论研究特别是表面几何设计方面的最新进展,总结了目前国内外制备超疏水表面的流行技术方法,进而讨论了利用外界作用调控超疏水行为的可能性。     

激光诱导硅基Al-Ti金属膜构建各向异性表面及其浸润特性

利用脉冲激光在Si表面刻蚀微米级四方柱,通过多靶磁控溅射镀膜机在其表面上沉积Al-Ti双层金属膜,然后利用激光诱导金属涂层形变,在四方柱的硅基底上形成定向微渠道,通过测量水与定向微渠道表面的接触角(前进角和后退角)研究各向异性表面浸润性特性.结果表明,在硅基底上构建的Al-Ti金属膜各向异性表面表现出水滴的前进角和后退角都较大,各向异性结构对其浸润性有明显的影响.因此,利用激光可以在固体表面制备各向异性表面, 控制表面的润湿行为.     

超疏水表面微纳结构设计与制备及润湿行为调控(Ⅰ)

超疏水表面因其优异的自洁排水性能可望在高科技领域和日常生活等方面有美好的应用前景.目前通过对荷叶表面微纳结构仿生已达到在亲水材料上制备超疏水表面的准商业化水平.然而,超疏水表面现有制备方法一般都工艺复杂和费用高昂,同时其超疏水性与其他材料性能很难相容,限制了其实际应用.对此,特别需要深入理论研究,优化设计表面微纳结构.同时充分利用外界作用调控其润湿行为,实现其在某些高科技领域的率先应用.针对超疏水表面研究的这些关键问题,重点评述了当前超疏水表面理论研究特别是表面几何设计方面的最新进展,总结了目前国内外制备超疏水表面的流行技术方法,进而讨论了利用外界作用调控超疏水行为的可能性.     

激光纹理化调控材料表面疏水性能研究进展

超疏水表面由于具有减阻、抗污、防水等独特性能,广泛应用于日常生活、军事、工业等场景,材料表面的微纳结构及化学成分对其超疏水性能有着重要影响。激光纹理化技术由于具有加工分辨率高、加工方式灵活、可加工材料多等优势,可用于制备疏水性能精确可控的表面微纳结构,在制造超疏水表面方面有着广阔的应用前景。首先,介绍了激光纹理化的作用机理,综述了常用的激光纹理化方式,如激光直接写入法、激光干涉图案化法及激光诱导周期性结构法等,并介绍了激光参数对微纳结构的影响。根据表面微纳结构的形貌、周期及尺寸特点对激光纹理化制备的表面分层微纳结构进行了总结归纳,包括覆盖随机纳米结构或激光诱导周期性结构的微沟槽、微网格、微柱及微峰,重点介绍了分层微纳结构的制备方式及微纳结构对疏水性的影响。总结了提高分层微纳结构表面疏水性的后处理方式,包括环境老化、表面化学改性及热处理等,并介绍了后处理方式调控疏水性的作用机理。最后,对采用激光纹理化技术制备超疏水表面的应用前景进行了展望。     

表面微纳结构的特殊功能及制备方法研究进展

通过构建表面微纳结构和制备纳米涂层可使材料表面获得特殊功能。主要综述了表面微纳结构的特殊功能和制备表面微纳结构和纳米涂层的主要方法和加工技术。首先，介绍了表面微纳结构在超疏水、光学超透镜和减摩耐磨方面的应用；其次，分别阐述了光刻技术、激光加工技术、自组装技术、增材制造技术(3D打印)、沉积法和溶胶凝胶法等表面微纳结构和纳米涂层的加工方法的研究进展；最后，总结了表面微纳结构及纳米涂层的不同制备方法存在的问题和发展趋势。     

仿生柱状黏附材料

自然界中很多动物,如壁虎、甲虫和树蛙等,主要利用可逆的黏附力在各种表面爬行。研究发现这些动物脚趾上的特殊微纳柱状结构(刚毛、平滑结构等)起到了至关重要的作用。一方面,这些微纳柱状结构及其精细亚结构保证了动物脚趾能与接触表面形成很多有效接触点,从而形成足够强的黏附力。产生的黏附力甚至可达动物体重的200倍。另一方面,这些微纳结构又可以保证动物能从黏附的表面迅速脱离。这种黏附能力依赖于结构而非接触材料的表面化学组成的特性,具有极高的科研价值和应用前景。     

光响应液滴操控功能表面研究及应用进展

具有特定润湿性的功能表面是人们操控液滴的重要手段。近年来基于光激励响应的润湿性功能表面发展迅速，通过光诱发材料表面产生润湿梯度力、机械形变、相变、介电泳力以及电润湿性能转变等，光响应液滴操控功能表面能够有效地操控液滴行为。本文简要回顾了光响应液滴操控功能表面的发展历程，重点介绍了其操控液滴的基本原理，分析并总结了当前该功能表面的类型、结构特点以及相应的制备技术。此外，介绍了光响应液滴操控功能表面在液滴输运、融合、分割、液滴机器人、微纳流控芯片等领域的应用，并结合光响应液滴操控功能表面的操控特点对其发展趋势和未来潜在应用进行了展望。     

激光直写制备金属与碳材料微纳结构与器件研究进展

激光直写技术作为一种新兴的低成本、高效、高精度的加工技术,可以适用于几乎任意自由度的二维或者三维微纳结构快速成型制备.这对光电子以及半导体微纳结构与器件的制备具有重大的意义.金属微纳结构在电子学和光子学中有着广泛的应用.本文综述了激光直写制备金属微纳结构相关研究进展.主要包括激光直写制备金、银、铜以及复合材料微纳结构与...     

基于光学光刻技术的PDMS微纳敏感结构薄膜加工工艺研究北大核心CSCD

利用光学光刻技术进行多种形状规格聚二甲基硅氧烷(PDMS)微纳敏感结构的并行加工。研究了基于光学光刻技术的PDMS微纳敏感结构薄膜加工工艺,并加工出不同形状、、不同大小的PDMS微纳敏感结构。此外,对加工后的PDMS微纳敏感结构薄膜进行表征,观察了不同形状、不同大小的PDMS微纳敏感结构的形貌特征。结果表明:基于光学光刻技术的PDMS微纳敏感结构薄膜加工工艺具有加工效率高,加工过程中不需要刻蚀、激光加工等复杂工艺和昂贵设备的特点,并且实现了大批量PDMS微纳敏感结构的并行加工。同时,掩模板上的微纳图案较好地转移到PDMS薄膜上,具有较好的图案曝光成像和图形转移效果。此外,制备的PDMS微纳敏感结构形状较规则、排列整齐,并且不同形状,不同大小的PDMS微纳敏感结构都具有高度一致性较好,侧面轮廓分明,侧壁角接近90°的特征。     

光子晶体光热调控研究

光和热是人类生存的必需条件,合理调控光与热不仅能使人类的生活更加便利,还可以解决探索太空亟需的难题。以光子晶体为代表的微纳结构,可赋予材料本身所不具备的光学特性,通过对关键材料进行微纳结构化,可以显著提高材料的光热调控性能,满足人类在民生和航天应用的需求。本论文从光热调控原理出发,主要包括4个部分:首先是对构建光子晶体的微球合成、蛋白石结构光子晶体和反蛋白石结构光子晶体的制备以及光谱性能进行简介;其次是介绍以光子晶体为代表的微纳结构在光学特性调控中的应用:光子晶体波段选择性反射的光学特性和仿蛾眼微纳结构的抗反射光学特性;随后依据辐射传热原理介绍微纳结构光热调控在智能热控和智能窗上的应用;并简单介绍国际上热门的微纳结构辐射自制冷的研究;最后结合国内外光热调控的研究现状展望其应用前景。     

微纳马达及其制备和应用研究进展

微纳马达是指尺寸在纳米或者微米级别的,可以运动的,具备特殊功能或能执行微观体系任务的器件。由于其在化学,环境以及生物医药领域都具有良好的应用前景,因此,微纳马达已成为当今纳米工程领域一个重要的前沿研究方向。近几年来,微纳马达发展迅速,其制备方法和应用领域均得了很大进展。基于微纳马达不同的运动机理,建立了多种低成本易操作的制备方法,出现了各种不同形状不同功能的微纳马达。这些微纳马达在诸如物质识别,蛋白质传递,DNA识别,癌细胞捕捉,细菌隔离,油污处理等方面的应用被相继报道,并引起了人们的巨大兴趣。如何精确调控微纳马达的运动行为,使其在微观系统中完成各种复杂的任务已成为当今微纳马达研究的发展趋势。本文就微纳马达的分类、工作原理、制备方法及其应用进行了全面介绍,以期促进我国今后在该领域的研究。     

基于光学光刻技术的PDMS微纳敏感结构薄膜加工工艺研究

利用光学光刻技术进行多种形状规格聚二甲基硅氧烷(PDMS)微纳敏感结构的并行加工。研究了基于光学光刻技术的PDMS微纳敏感结构薄膜加工工艺,并加工出不同形状、、不同大小的PDMS微纳敏感结构。此外,对加工后的PDMS微纳敏感结构薄膜进行表征,观察了不同形状、不同大小的PDMS微纳敏感结构的形貌特征。结果表明:基于光学光刻技术的PDMS微纳敏感结构薄膜加工工艺具有加工效率高,加工过程中不需要刻蚀、激光加工等复杂工艺和昂贵设备的特点,并且实现了大批量PDMS微纳敏感结构的并行加工。同时,掩模板上的微纳图案较好地转移到PDMS薄膜上,具有较好的图案曝光成像和图形转移效果。此外,制备的PDMS微纳敏感结构形状较规则、排列整齐,并且不同形状,不同大小的PDMS微纳敏感结构都具有高度一致性较好,侧面轮廓分明,侧壁角接近90°的特征。     

超疏水镁合金表面的防黏附和耐腐蚀性能

通过盐酸刻蚀、氨水浸泡和疏水长链接枝,成功构建得到接触角达154°、滚动角为6°的超疏水镁合金表面。利用接触角测试、扫描电镜观察、红外光谱分析、防黏附和电化学实验等分别对超疏水镁合金表面的润湿性能、表面微结构与化学组成、防黏附行为以及耐腐蚀性能进行了考察。结果表明:盐酸刻蚀和氨水浸泡使得镁合金表面产生了微-纳复合结构,而硬脂酸修饰使疏水烃基长链通过化学键接枝到具有微-纳复合结构的镁合金表面。正是由于其特殊的表面微结构和化学组成,使得超疏水镁合金表现出良好的防黏附和耐腐蚀性能。     

空间微机电系统的研究与进展

介绍了微机电系统的基本原理及其在空间应用的发展概况,着重介绍了空间微传感器、微执行器、RF-MEMS、MOEMS、微仪器和微/纳卫星的研究与进展情况。     

碳化硅颗粒增强复合材料超疏水表面的制备

采用电化学蚀刻方法在碳化硅颗粒增强复合材料(SiC/Al)表面构筑了微纳结构, 重点分析了蚀刻电流密度和蚀刻时间等关键操作参数对所得表面微观形貌及润湿特性的影响。研究发现, 较高电流密度(6 A/dm²)下刻蚀的SiC/Al复合材料表面可形成由微米级“粒状”结构和纳米级结构(颗粒状和波鳞状)复合而成的微-纳双层结构, 且这种特殊结构不因后续刻蚀时间延长而改变; 优化条件形成的SiC/Al复合材料刻蚀表面呈现出静态接触角高达160.7°、滚动角低至4°的超疏水特性。本研究结果说明SiC/Al复合材料可用于制备自清洁表面。     

基于叉指电容阵列模块的宽量程微纳力源装置

微纳牛顿量级的标准力源是微纳力测量和量值溯源装置中的核心部件,如何在较低电压下获得稳定的宽量程标准微纳力源,是提高微纳力测量装置测量准确度、扩大测量范围需解决的重要技术问题。利用叉指电容结构,通过引入叉指电容阵列的方法,设计了一种能在较低电压下输出宽量程标准微纳力值的力源。经分析表明:该装置能在较低恒定电压下实现稳定的宽量程微纳力值输出,且通过微纳力源阵列模块化的布置及控制,能在不增加装置复杂程度条件下,增大装置输出范围与分辨率;利用微纳力源阵列模块的对称布置以及叉指电容结构,极大减小了模块偏载和弹性支撑结构形变对输出微纳力值的影响,保证微纳力源的准确度,为微纳力测量和量值溯源装置中低电压、宽量程微纳力源的设计与制造提供了有益依据。     

包装材料表面超疏液性能耐久性及其提高方法

海量油墨、涂料、油漆、胶粘剂、沥青等的包装金属桶罐由于内部粘附属于危险固废且难于处理。酸奶、果酱、牙膏等的包装由于粘附不便于分类回收。材料表面超疏液性能源于表面微纳多级粗糙结构和低表面能。制约超疏液材料应用的瓶颈是表面微纳结构制备工艺复杂和力学强度低导致的耐久性差。本文总结提出了增强超疏液性能耐久性的四类技术方法:具有自我修复功能的超疏表面,SLIPS表面,具有形状记忆的微纳结构和提高表面微纳结构本身的力学强度。具有良好耐久性的包装材料有广阔的应用空间,可以解决包装废弃物回收和利用的关键难题。     

高温隔热用微纳陶瓷纤维研究进展

陶瓷纤维具有密度低、强度高、耐高温、抗氧化和耐机械震动性能好等优点, 是空天飞行器、核能发电和化工冶金等热防护领域所需的关键高温隔热材料。传统陶瓷纤维直径粗(?>5 μm)、脆性大、热导率高, 在实际隔热领域应用中受到了极大限制。减小纤维直径, 制备微纳陶瓷纤维, 不仅有利于提高纤维力学性能, 还有望改善其高温隔热性能, 近年来引起了研究者的广泛关注。从微纳陶瓷纤维中影响热传输(气体热传导、固体热传导和辐射传热)的本征因素出发, 有针对地进行组成和结构优化, 进而改善其高温隔热性能, 是当前微纳陶瓷隔热纤维研究的重点方向。本文结合国内外研究现状, 在介绍微纳陶瓷纤维隔热机理的基础上, 按照纤维的组成和结构特点将目前微纳陶瓷隔热纤维分为三类, 即微纳陶瓷纤维气凝胶、中空/多孔微纳陶瓷纤维和复合微纳陶瓷纤维。对这三类不同特点的微纳陶瓷隔热纤维最新研究进展进行综述, 并展望了微纳陶瓷隔热纤维的未来发展方向。     

表面微/纳米计量中的光学测量方法综述

微纳检测技术旨在以微/纳米级的精度测量加工表面特征,在加工过程的控制、建立表面特征与功能间的联系等方面具有重要作用。光学测量方法具有高精度、快速和无损的特点,是微纳检测技术研发的重要内容。本文介绍了表面形貌和薄膜的光学测量方法,并对各方法的特点及应用场合进行了对比总结。微纳制造技术加工的表面具有结构日益小型化、特征日益复杂化的特点,因此开发多模式测量系统是微纳检测技术的发展趋势。