疏水性润湿梯度表面液滴脱离过程的实验研究

基于标准MEMS工艺设计并加工了一种具有微结构的疏水润湿梯度表面,通过光学可视化测试系统,采用高速图像采集装置和标准振动台研究了液滴与润湿梯度表面脱离过程中,形态、接触角、受力等参数的变化规律。结果表明:液滴在与疏水润湿梯度表面脱离过程中,将出现拉伸现象,处于相对疏水侧的边缘脱离速度要快于处于相对亲水侧。脱离过程中液滴高度、宽度和接触角变化可明显分为两个区域,两区域内液滴高度、宽度和左右两侧接触角变化呈现出显著不同。通过液滴与微结构顶部间受力分析发现,润湿梯度造成的液滴受力不均是导致液滴边缘脱离速度出现不对称的原因。     

表面微结构对液滴三相线移动行为影响研究

为研究表面微结构对液滴三相线移动行为的影响，采用标准MEMS工艺在硅基表面加工出了具有不同尺寸及间距的柱状微结构疏水表面。通过多角度光学可视化实验系统，研究了液滴蒸发时，不同微结构区域内液滴三相线移动行为，分析了微结构尺寸及间距对三相线移动特性和蒸发模式的影响。结果表明：处于不同微结构阵列上的液滴在蒸发过程中将出现三相线的非对称移动，液滴两侧出现不同的蒸发模式，且在后退接触角较小的一侧出现了一种不同于目前三种蒸发模式的现象-三相线固定，接触角呈周期性锯齿状波动，最后基于能量原理分析了液滴三相线移动所需能量与后退接触角之间的联系，解释了产生上述行为的原因。     

亲水性微观粗糙表面润湿状态转变性能研究

以亲水性微观粗糙表面上不同几何形貌及分布的微柱阵列为对象, 讨论了液滴在亲水性粗糙表面上的润湿过程以及润湿状态的转变阶段. 从能量角度分别考察了微观粗糙结构几何形貌及分布、微柱几何参数、固体表面亲水性、接触角滞后作用等因素对液滴润湿状态转变的影响规律. 研究发现: 在亲水粗糙表面, 正方形微柱呈正六边形阵列分布时, 液滴更容易形成稳定的Cassie状态, 或者液滴仅发生Cassie状态向中间浸润状态的转变; 与此同时, 减小微柱间距、增大方柱宽度或圆柱直径、增大微柱高度、增强固体表面的亲水性将有利于液滴处于稳定的Cassie状态, 或阻止润湿状态向伪-Wenzel或Wenzel状态转变; 然而, 当液滴处于Cassie状态时, 较小的固-液界面面积分数或减弱固体表面亲水性能均有利于增大液滴的表观接触角, 因此在亲水表面设计粗糙结构时应综合考虑润湿状态稳定性和较大表观接触角两方面因素; 此外, 接触角滞后作用对于液滴状态的稳定性以及疏水性能的实现具有相反作用的影响. 研究结果为液滴在亲水表面获得稳定Cassie状态的粗糙结构设计方法提供了理论依据. 关键词： 亲水表面 微观粗糙结构 表面自由能 润湿状态转变     

微观结构尺度对液滴润湿状态的影响

在分析表面微观特征对液滴润湿状态的影响时,尺度效应是无法绕过的前提条件和分析基础。本文以矩形微结构表面液滴为研究对象,通过数值模拟,得到了给定微结构表面液滴在不同液滴半径与矩形微结构宽度比例下的润湿状态。此外,本文还模拟得到了液滴完全浸润矩形微结构的临界接触角及其相对于微结构尺寸的变化规律。结果表明,液滴半径与微结构宽度比越小,液滴下气液界面开始浸润微结构时的临界接触角越大,无重力条件下表面液滴下气液界面的稳定性越差。若重力不可忽略,则液滴半径与微结构宽度比越大,重力的影响越大,表面液滴下气液界面的稳定性越差。     

液滴撞击微尺度矩形沟槽表面的数值研究

采用CLSVOF方法建立了液滴撞击微尺度矩形沟槽表面的三维数值模型,对撞击过程中的动态特性及传热特性进行了数值研究。分析了液滴在微尺度矩形沟槽表面的润湿状态,给出了液滴润湿状态转变的临界速度。研究了表面接触角及撞击速度对液滴铺展特性的影响。数值研究结果表明:微尺度沟梢结构会使液滴在撞击后产生横纵差异。液滴的最大铺展因子随着撞击表面接触角的增大而减小,随着撞击速度的增大而增大。液滴撞击微尺度矩形沟槽表面后,撞击表面的热流量先增大后减小。撞击表面的最大热流量受到表面接触角与沟槽深度的耦合作用,撞击表面的最大热流量随着表面接触角的增大而减小。     

润湿梯度作用下液滴在倾斜表面向上运动的格子Boltzmann模拟

采用基于Shan-Chen伪势模型的格子Boltzmann方法,对液滴在存在润湿梯度的倾斜表面上克服重力、自下而上运动的过程进行模拟。探究润湿梯度、液滴尺寸、Bond数以及表面倾斜角度对液滴运动的影响。计算结果表明：液滴在运动过程中,内部会出现沿斜面向上的速度矢量,润湿梯度越大,液滴运动速度越快,润湿长度也越长,且动态接触角减小速率越快。液滴尺寸和Bond数对液滴运动的影响较小,但存在临界Bond数,超过该临界Bond数时,液滴将沿梯度润湿表面向下运动。表面倾角对液滴运动有显著影响,倾角增大,液滴运动速度和润湿长度都明显减小。     

微液滴在不同能量表面上润湿状态的分子动力学模拟

微小液滴在不同能量表面上的润湿状态对于准确预测非均相核化速率和揭示界面效应影响液滴增长微观机理具有重要意义. 通过分子动力学模拟, 研究了纳米级液滴在不同能量表面上的铺展过程和润湿形态. 结果表明, 固液界面自由能随固液作用强度增加而增加, 并呈现不同液滴铺展速率和润湿特性. 固液作用强度小于1.6的低能表面呈现疏水特征, 继续增强固液作用强度时表面变为亲水, 而固液作用强度大于3.5的高能表面上液体呈完全润湿特征. 受微尺度条件下非连续、非对称作用力影响, 微液滴气液界面存在明显波动, 呈现与宏观液滴不同的界面特征. 统计意义下, 微小液滴在不同能量表面上铺展后仍可以形成特定接触角, 该接触角随固液作用强度增加而线性减小, 模拟结果与经典润湿理论计算获得的结果呈现相似变化趋势. 模拟结果从分子尺度为核化理论中的毛细假设提供了理论支持, 揭示了液滴气液界面和接触角的波动现象, 为核化速率理论预测结果和实验测定结果之间的差异提供了定性解释.     

纳米结构表面上部分润湿液滴合并诱导弹跳的理论研究

部分润湿液滴是适宜纳米结构表面上滴状冷凝传热的主要载体,研究纳米结构参数与部分润湿液滴合并弹跳之间的关系有重要意义,本文依据冷凝液滴生长过程中能量增加最小的原理来判断其是否为部分润湿状态,并根据液滴合并前后的体积和界面自由能守恒,确定了合并液滴的初始形状,进而对合并液滴变形过程的动力学方程进行了求解,结果表明:部分润湿冷凝液滴仅在纳米柱具有一定高度、直径间距比较大的表面上形成,而当纳米柱高度过低、直径间距比小于0.1时则形成完全润湿的冷凝液滴;液滴合并后能否弹跳与纳米结构参数紧密相关,仅在纳米柱较高、直径间距比适宜的表面上,部分润湿液滴合并后才能诱发弹跳;液滴尺度及待合并液滴间的尺度比对合并弹跳也有重要影响;多个部分润湿液滴合并后由于具有更多的过剩界面自由能而比两个液滴合并更容易诱发弹跳,本模型对纳米结构表面上冷凝液滴是否合并诱发弹跳的计算结果与绝大部分实测结果相一致,准确率达到95%。     

液滴在梯度微结构表面上的铺展动力学分析

本文通过改变肋柱宽度和间距, 构造了二级和多级梯度微结构表面, 采用格子-Boltzmann方法对液滴在两种梯度表面上的铺展过程进行了研究, 探析液滴运动的机理和调控方法. 结果表明, 在改变肋柱间距的二级梯度表面上, 当液滴处于Cassie态时, 接触角滞后大小与粗糙度梯度成正比关系; 当液滴从Cassie态转换为Wenzel态或介于两者之间的不稳定态时, 这一正比关系不再遵循. 在改变肋柱宽度的二级梯度表面上, 接触角滞后大小与粗糙度梯度始终成正比关系. 在多级梯度表面上, 随液滴初始半径增大, 接触角滞后减小, 但液滴平衡位置相较于初始位置偏离增大. 对梯度微结构表面上液滴运动和接触角滞后的定量分析, 可为实现梯度微结构表面液滴运动调控提供理论依据.     

微纳复合结构表面稳定润湿状态及转型过程的热力学分析

自然界中的微纳复合结构超疏水表面由于其独特的润湿性质引起了人们的广泛关注, 大量实验研究表明了仿生人工微纳复合结构表面润湿性能的优越性, 然而液滴在微纳复合结构表面的润湿状态和转型过程的理论研究还并不完善. 本文首先用热力学方法分析了液滴在微纳复合结构表面可能存在的所有状态(四种稳定润湿状态和五种亚稳态到稳定态转型中的过渡态), 推导出了相应的能量表达式及表观接触角方程; 基于最小能量原理, 确定液滴在微纳复合结构表面的稳定状态, 较以往模型相比, 能够更好的预测已有的实验结果; 其次研究了微纳结构尺寸对稳定润湿状态和亚稳态到稳定态转型过程的影响; 最后提出了微纳复合结构表面设计原则, 即确定“超疏水稳定区”尺寸范围, 为超疏水表面的制备提供理论依据.     

纳米结构超疏水表面冷凝现象的三维格子玻尔兹曼方法模拟

采用三维多相流格子玻尔兹曼方法 (lattice Boltzmann method, LBM),对纳米结构超疏水表面液滴的冷凝行为进行模拟研究.通过Laplace定律和光滑表面的本征接触角理论对三维LBM模型进行定量验证.模拟分析了超疏水表面纳米阵列的几何尺寸和润湿性的局部不均匀性对冷凝液滴形核位置和最终润湿状态的影响规律.结果表明,较高的纳米阵列使液滴在纳米结构间隙的上部侧面和底部优先形核长大,通过采用上下不均匀的间隙可避免液滴在底部形核长大,而在上部侧面形核的冷凝液滴在生长过程中向上运动,其润湿状态由Wenzel态转变为Cassie态;较低的纳米阵列使液滴在纳米结构底部优先形核长大,液滴的最终润湿状态为Wenzel态;润湿性不均匀的纳米结构表面使液滴在阵列顶端亲水位置处优先形核长大,成为Cassie态.冷凝液滴在不同几何尺寸的纳米结构表面上的最终润湿状态的模拟结果与文献报道的实验结果符合良好.通过模拟还发现,冷凝液滴在生长过程中的运动行为与液滴统计平均作用力的变化有关.本文的LBM模拟再现了三维空间中液滴的形核、长大和润湿状态转变等物理现象.     

微矩形凹槽表面液滴各向异性浸润行为的研究

受自然界启发,仿生微结构被广泛用于调控固-液界面的性质.研究显示,液滴在微结构表面的各向异性浸润行为可用于实现微流动方向和速度的控制,且其各向异性浸润与微结构的尺寸和分布等密切相关.本文研究了微矩形凹槽尺寸对液滴各向异性浸润行为的影响规律.结果显示,液滴沿平行沟槽的方向具有较小的运动阻力、易铺展,因此具有较小接触角;而垂直于沟槽方向,由于沟槽的阻隔作用具有较大运动阻力,因而具有较大接触角,并且在垂直方向液滴的浸润过程是三相线一系列钉扎和跳跃行为.在微矩形凹槽表面,液滴沿平行方向接触角θ//与肋板宽度R和凹槽宽度G密切相关,其值与表面固体面积比成反比;而垂直于沟槽方向的接触角θ⊥随肋板宽度R和凹槽宽度G变化基本保持不变.同时各向异性液滴的变形比L/W、特征方向接触角比值θ⊥/θ//与表面固体面积比成正比.研究结果有助于加深理解微结构表面浸润行为的机制,并为微矩形凹槽在微流动控制方向的应用提供技术支持.     

竖直表面液滴运动的数值模拟

为研究具有不同润湿特性的表面上液滴运动的规律,本文依据液滴接触角与基底方位角的关系以及运动液滴的动态接触角模型,运用Fluent软件,实现了对竖直表面上静止和运动液滴的数值模拟,得到了液滴的形貌以及内部的速度分布。模拟所得竖直表面上静止液滴和运动液滴的接触角和形貌均与实验结果吻合较好。液滴内部速度分布表明,裸铝表面(亲水)上液滴的运动方式为滑动;114°疏水表面上的液滴内部出现不完整的环流,但仍然以滑动运动为主;而145°疏水表面上液滴以滚动方式向下运动,液滴运动较快。     

正癸烷纳米液滴润湿特性的分子动力学研究

流体液滴在固体表面的浸润性对其润滑性能至关重要.本文利用分子动力学方法研究了正癸烷纳米液滴在铜表面上的润湿特性.结果表明：在平坦光滑表面上,壁面的厚度和分子数目对润湿效果影响不大.随着壁面能量势阱参数εs 增大,接触角线性减小.随着温度升高,液滴的接触角减小.在沟槽粗糙表面上,随着粗糙度因子增大,对于疏液表面,接触角增大到一定值后基本保持不变,符合Cassie理论;中性和亲液表面接触角则会减小,为Wenzel润湿模式.当表面分数增大时,疏液与亲液表面接触角整体呈减小的趋势,对中性表面影响不大.当温度升高时,粗糙疏液表面接触角会增大,润湿效果更差,而粗糙中性和亲液表面液滴润湿性会更好.     

差异化疏水铜表面的冷凝传热实验研究

为研究差异化疏水结构表面蒸汽滴状冷凝传热特性,首先在铜表面通过化学刻蚀法制备了不同的CuO与Cu(OH)_2微纳米复合微结构,通过十八硫醇自组装进一步修饰后,获得了具有不同静态接触角和表面能的差异化疏水表面。实验研究了不同微结构及其接触角对滴状冷凝传热性能的影响,并对冷凝传热过程中液滴在微结构表面的合并、脱落过程进行了可视化研究。结果表明,接触角相近、微结构不同的CuO-Ⅰ与Cu(OH)_2表面冷凝传热性能相近,约为光滑表面的1.5倍。接触角为125°的CuO-Ⅱ表面的冷凝传热性能明显高于CuO-Ⅰ表面,约为光滑表面的3倍。同时,相同过冷度下,CuO-Ⅰ表面冷凝液滴的合并与脱落频率明显低于CuO-Ⅱ表面。     

SiC表面圆环槽边缘效应实验研究

基于固体边缘效应,对碳化硅(SiC)表面激光加工圆环形沟槽的润湿特性进行实验研究,通过分析去离子水在圆环槽上的润湿性能及其在边缘处的铺展行为,获得了环槽深度与环槽宽度对液滴在边缘处最大表观接触角的影响规律.结果表明,SiC圆环槽阻碍液滴铺展,光滑基体表面上接触角为70°,激光加工圆环槽深度为290μm,宽度为1 mm时...     

接触角滞后对组合表面液滴运动的影响

本文通过控制NaOH和(NH_4)_2S_2O_8溶液的刻蚀时间,制备了具有不同接触角滞后超疏水区的0.5 mm-0.5mm超疏水疏水组合表面,可视化研究了常压纯蒸汽下液滴脱落半径,冲刷周期,尺寸分布.电镜表征结果表明,刻蚀时间越长,所制备超疏水表面的微纳结构越细,导致液滴接触角滞后增加。在0.5 mm-0.5 mm超疏水-疏水组合表面冷凝过程中,存在两种排液行为:液滴横向抽吸和液滴跨区脱落。随着超疏水区接触角滞后的增加,对液滴的抽吸作用越强。液滴跨区脱落直径随着超疏水区接触角滞后的增加有减小趋势,表面冲刷周期随超疏水区接触角滞后的增加而减小;与完全疏水表面相比,组合表面疏水区域液滴尺寸较小,主要集中在50μm以内。     

超疏水-疏水组合表面蒸汽冷凝的实验研究

液滴的快速脱落和移除对蒸汽滴状冷凝传热具有重要的影响,超疏水表面由丁二具有接触角大,接触角滞后小的优点而用于驱动冷凝液滴的自发运动,但是,常压蒸汽在超疏水表面冷凝时,液滴的润湿形态还没有定论。本文设计了超疏水疏水条纹间隔排列的超疏水一疏水组合表面,研究了常压蒸汽在组合表面上的冷凝过程,观测了液滴的运动特性,测量了超疏水一疏水组合表面上常压蒸汽冷凝传热性能。实验结果显示疏水区液滴在表面张力差的作用下从疏水区向超疏水区自发迁移,说明超疏水区液滴处于Wenzel润湿形态,超疏水一疏水组合表面蒸汽冷凝传热性能比完全超疏水和完全疏水表面传热性能的面积加权平均值大。说明液滴的自发迁移运动强化了疏水区的传热性能。     

悬垂液滴研究及表面张力和润湿角测定

对光滑固体表面下悬挂的液滴进行了理论分析,建立了悬垂液滴特征尺寸R和H与液滴表面张力σL和固液界面润湿角θ之间的关系式,计算发现对于特定的ρ,σL,θ值,液滴质量m与固液界面润湿半径R、液滴高度H满足特殊的曲线关系.利用此关系可以同时测量液滴的表面张力σL以及固液界面间的润湿角θ.     

石墨表面熔融硅的润湿行为研究

熔融硅在石墨表面的润湿规律对于超薄硅片的横向拉模制造尤为重要.本文利用COMSOL软件模拟了理想条件下熔融硅在光滑石墨表面的润湿过程,并借助高温高真空接触角测量仪对高温条件下石墨表面熔融硅的润湿性能开展了实验研究.考察了石墨表面粗糙度(R_a=0.721μm与R_a=0.134μm)、环境温度(1737—1744 K)、恒温持续时间(10—30 s)等因素对润湿角的影响.结合固-液、气-液界面的压力、速度分布图,分析了恒定温度、毛细效应下表面张力变化对润湿过程的影响机制.研究结果表明,相同温度下,石墨表面硅液滴的润湿角随石墨表面粗糙度增大而减小.对同一粗糙度表面,润湿角在相同温度下随保温时间的增加略微减小,且变化的幅度随温度升高而减小.当液滴半径远小于5 mm时,表面张力在润湿过程中起主导作用;当液滴半径大于5 mm时,液滴自身重力的影响不可忽略.