發(fā)布時(shí)間：2020-10-09 03:47

　　 霧化會(huì)造成光不能直接透過(guò)材料表面,這不僅會(huì)對(duì)材料的使用效率產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,而且給我們的日常生活帶來(lái)許多困擾甚至是危險(xiǎn)。例如,腹腔鏡鏡頭表面的霧氣會(huì)影響手術(shù)的順利進(jìn)行;海上橋梁和船舶長(zhǎng)時(shí)間暴露在潮濕環(huán)境中,易導(dǎo)致其老化和腐蝕;飛機(jī)和汽車擋風(fēng)玻璃上的霧氣是造成交通事故的重要原因;太陽(yáng)能電池板表面上的霧氣會(huì)降低光伏電池的轉(zhuǎn)換效率;農(nóng)業(yè)溫室表面上的霧氣會(huì)直接影響作物的新陳代謝。此外,在某些極端低溫條件下,還可能會(huì)帶來(lái)重大的安全隱患,例如,飛機(jī)、風(fēng)力渦輪機(jī)、高壓輸電、電信設(shè)備和熱交換器等表面,如果發(fā)生結(jié)霜或過(guò)量不均勻水冷凝的情況,將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行效率降低,乃至出現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)癱瘓等災(zāi)難性后果。綜上所述,防霧(AF)表面的研究具有重要的意義。近年來(lái),盡管AF表面的研究取得了很大的進(jìn)步,但其發(fā)展仍存在一些重大挑戰(zhàn)。例如,如何巧妙地設(shè)計(jì)AF表面的紋理結(jié)構(gòu);如何制造出具有減反射、自清潔、耐磨等多功能的AF表面;如何不局限于實(shí)驗(yàn)室,實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。我國(guó)近期在《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》和《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》等一系列政策性指導(dǎo)文件中也明確提出,“新材料設(shè)計(jì)與制備新原理和新方法”是面向國(guó)家重大戰(zhàn)略任務(wù)重點(diǎn)部署的基礎(chǔ)研究之一。其中,“材料表面工程”、“高性能膜材料”,以及“智能/仿生/超材料”也在文件中多次被提到。本文從耦合仿生學(xué)角度出發(fā),選取蜉蝣稚蟲(chóng)復(fù)眼為研究對(duì)象,利用噴霧模擬測(cè)試系統(tǒng)及接觸角(CA)測(cè)試方法研究了蜉蝣稚蟲(chóng)復(fù)眼的AF功能,發(fā)現(xiàn)蜉蝣稚蟲(chóng)復(fù)眼AF行為分為三個(gè)階段。通過(guò)潤(rùn)濕性理論揭示了蜉蝣稚蟲(chóng)復(fù)眼的AF機(jī)理。受蜉蝣稚蟲(chóng)復(fù)眼微結(jié)構(gòu)陣列的啟發(fā),建立了四種規(guī)則的仿生微結(jié)構(gòu)陣列模型,得出了表面浸潤(rùn)性與仿生微結(jié)構(gòu)和材料表面能之間的關(guān)系規(guī)律。結(jié)合不同的仿生微結(jié)構(gòu)、形態(tài),以及材料,分別模仿蜉蝣稚蟲(chóng)復(fù)眼AF行為的三階段,得到了三種浸潤(rùn)性不同、性能優(yōu)異的耦合仿生AF表面。本文主要研究?jī)?nèi)容如下:首先,對(duì)蜉蝣的生態(tài)特征進(jìn)行研究,確定選取蜉蝣稚蟲(chóng)復(fù)眼作為本文的研究對(duì)象,綜合利用金相顯微鏡(OLYMPUS,PMG3)、掃描電子顯微鏡(JEOL,JSM-6700F)對(duì)蜉蝣稚蟲(chóng)復(fù)眼表面的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,發(fā)現(xiàn)復(fù)眼表面上分布著尺寸均勻、有序排列的扁平狀橢球陣列,并且單個(gè)扁平狀橢球表面是光滑的,不存在納米結(jié)構(gòu)。利用3D超景深顯微鏡(KEYENCE,VHX-5000)作為觀測(cè)設(shè)備,通過(guò)模擬AF測(cè)試方法,發(fā)現(xiàn)蜉蝣稚蟲(chóng)復(fù)眼的AF行為分為三個(gè)階段,建立蝣稚蟲(chóng)復(fù)眼表面微結(jié)構(gòu)陣列的三維模型,將霧滴分為大小兩種尺寸,借助潤(rùn)濕性理論,揭示了其不同階段的AF機(jī)理。然后,受到蜉蝣稚蟲(chóng)復(fù)眼表面微結(jié)構(gòu)陣列的啟發(fā),設(shè)計(jì)了四種規(guī)則的仿生微結(jié)構(gòu)陣列,并對(duì)其相應(yīng)的潤(rùn)濕模型進(jìn)行了分析,得出了以下結(jié)論:(1)凸?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)陣列更適合疏水表面的設(shè)計(jì),凹狀微結(jié)構(gòu)陣列更適合親水表面的設(shè)計(jì)。(2)對(duì)于Cassie模型而言,表觀CA與表面能參數(shù)的關(guān)系,主要由微結(jié)構(gòu)陣列的布局決定,而不受微結(jié)構(gòu)陣列形狀的影響。(3)對(duì)于Wenzel模型而言,表觀CA與表面能參數(shù)的關(guān)系,主要由微結(jié)構(gòu)陣列的形狀決定,而不受微結(jié)構(gòu)陣列布局的影響。為接下來(lái)仿生微結(jié)構(gòu)AF表面的設(shè)計(jì)和制造提供理論依據(jù)。最后,結(jié)合不同的仿生微結(jié)構(gòu)、形態(tài),以及材料,分別模仿蜉蝣稚蟲(chóng)復(fù)眼AF行為的三階段,得到了三種浸潤(rùn)性不同、性能優(yōu)異的耦合仿生AF表面,并從理論和試驗(yàn)方面進(jìn)行了相關(guān)研究。(1)耦合仿生超疏水防霧表面的制造及其性能研究:結(jié)合紫外光刻以及倒模法,在聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜(PF)表面上,設(shè)計(jì)一組規(guī)則的周期結(jié)構(gòu),該表面粗糙度由微米級(jí)的圓柱陣列(MPA)和納米級(jí)的二氧化硅(Si O2)顆粒構(gòu)成,對(duì)PF耦合的MPA和Si O2涂層表面上霧滴的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行了仔細(xì)觀察和機(jī)理分析。結(jié)果表明,MPA和Si O2涂層的耦合放大效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)超疏水AF的直接原因。(2)耦合仿生超親水防霧表面的制造及其性能研究:以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為基底,結(jié)合濕法刻蝕和倒模法制備了一種具有優(yōu)異機(jī)械性能的AF薄膜,在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)(400~800nm),對(duì)耦合PMMA(C-P)薄膜噴霧6min后,C-P薄膜的平均透過(guò)率仍保持在92.26%,經(jīng)100°C水蒸汽試驗(yàn)10s后,C-P薄膜仍保持透明、清晰的外觀,此外,倒金字塔微結(jié)構(gòu)和硅溶膠的協(xié)同作用使薄膜還具有良好的減反射和超親水性能,其中,硅烷偶聯(lián)劑KH550的加入,使C-P薄膜的硬度、耐磨性和附著性均有明顯提高。(3)耦合仿生潤(rùn)滑防霧表面制造及其性能研究:利用紫外光刻和倒模法制備出類似荷葉乳突狀的微結(jié)構(gòu)陣列(PMAs),采用三甲氧基(1H,1H,2H,2H-十七氟癸基)硅烷(FAS)處理表面,以全氟潤(rùn)滑油Krytox 1506作為潤(rùn)滑層浸潤(rùn)表面,成功地制備了仿生潤(rùn)滑PDMS薄膜(BLPF)。通過(guò)對(duì)樣品光學(xué)性能的詳細(xì)對(duì)比分析,在可見(jiàn)光波段內(nèi)(400-800nm),BLPF的平均反射率降低了2.4%,BLPF在長(zhǎng)波段(700-800nm)內(nèi)顯示出的最大透過(guò)率為90.5%,對(duì)BLPF表面連續(xù)模擬噴霧90s后,短波段范圍內(nèi)(400-500nm)的最大透過(guò)率達(dá)到60%以上,長(zhǎng)波段范圍內(nèi)(500-800nm)的最大透過(guò)率接近90%。此外,BLPF表面對(duì)液體污染物的自清潔性能要優(yōu)于固體粉塵。本文對(duì)于耦合仿生AF表面的研究取得了一定的進(jìn)展,所采取的分析方法可為其他AF表面的機(jī)理分析提供可以借鑒的理論依據(jù),所采用的仿生微結(jié)構(gòu)和制備材料將為新型高效AF表面的研究提供新的設(shè)計(jì)思路。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB391
【部分圖文】：

T homas Young首先描述了無(wú)柄液滴在平坦固體表面上的 CA（圖1.1）[55]。當(dāng)水滴與固體表面接觸時(shí)，固-氣、固-液和液-氣之間的表面張力平衡

1.2.2.5 Marmur 模型Marmur[63, 64]提出了一種中間潤(rùn)濕狀態(tài)來(lái)描述固體表面的潤(rùn)濕性（圖 1.2c）。根據(jù)該模型，液滴在凹槽中浸潤(rùn)一定深度。描述表觀 CA 的方程，即取決于與液體接觸的固體表面的面積分?jǐn)?shù)SLf ，也取決于粗糙度因子MR ： cos1cos10 MSLMf R（1-7）當(dāng) 1SLf 且MR R時(shí)，潤(rùn)濕狀態(tài)由 Wenzel 模型表征。在這種情況下， 必須包含在從 Cassie -Baxter狀態(tài)到 狀態(tài)的過(guò)渡的臨界 CA 中。因此，將方程（1-3）與方程（1-4）組合得到：MSLSLCRRff 1cos （1-8）其中，Ccos 是從 C-B 到 W 過(guò)渡的臨界 CA[65]。

第 1 章 緒論.2.3 動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕性無(wú)論霧滴的潤(rùn)濕行為是由Wenzel 、 Cassie -Baxter還是Marmur模型描述些理論模型僅允許評(píng)估水平表面上靜態(tài)的表觀 CA。事實(shí)上，經(jīng)驗(yàn)表明，上濕模型所支持的實(shí)際表面 CA 并非只有一個(gè)。表觀 CA 通常介于最大值和最之間，在固體表面上測(cè)量的最小 CA 通常稱為“后退 CA”rec ，而最大 CA 稱前進(jìn) CA”adv 。前進(jìn)和后退 CA 之間的差值，即advrec ，稱為“CA 滯CAH）。

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