液滴潤濕行為與表面微納結(jié)構(gòu)關(guān)系的模擬研究.pdf

1、自然界中的生物經(jīng)過長時間的進化演變，具有多種多樣的特色屬性。魚在水中游動、鳥在天空飛翔等自然界的現(xiàn)象使得人類得以通過觀察學(xué)習(xí)并制造出船和飛機等工具以供人類使用。仿生學(xué)作為一門模仿生物功能來發(fā)明創(chuàng)造的科學(xué)大大提高了人類的生活質(zhì)量。自然界中的超疏水現(xiàn)象，例如荷葉上的水珠會自動滑走并帶走上面的污染物（自清潔效應(yīng)）、水黽在水面行走等現(xiàn)象是目前仿生學(xué)研究的熱點之一。實驗研究表明自然界的超疏水表面都具有納微結(jié)合的多層級結(jié)構(gòu)，正是這一特殊結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)為

2、人們對超疏水材料的制備提供了必要的依據(jù)。雖然超疏水材料在防結(jié)冰、防霧、防侵蝕等方面具有重要的潛在應(yīng)用價值，但其大規(guī)模的工業(yè)制造和應(yīng)用需要我們深刻理解液滴潤濕行為與表面納微結(jié)構(gòu)關(guān)系。本文采用格子玻爾茲曼方法(LatticeBoltzmann Method，LBM)對液滴在固體表面的潤濕以及去潤濕行為進行研究，考察了液滴潤濕行為與表面納微結(jié)構(gòu)關(guān)系。
　　本文中我們首先對微液滴在被修飾固體表面的接觸角進行了細致的研究，考察了Cassie

3、方程的適用范圍。針對微液滴的潤濕動力學(xué)，我們以微液滴在被修飾固體表面的蒸發(fā)過程為例考察了三相接觸線的移動規(guī)律。從Wenzel轉(zhuǎn)變到Cassie態(tài)自發(fā)轉(zhuǎn)變是可靠超疏水材料的理想特征，我們從能量分析和模擬兩個方面對潤濕態(tài)轉(zhuǎn)變的可能性進行了研究。我們從微觀機理上解釋了再入凹角結(jié)構(gòu)為什么是一種理想的超雙疏結(jié)構(gòu)。最后，我們通過模擬以及理論闡明了一維或者二維潤濕發(fā)生的條件。具體內(nèi)容如下:
　　1.采用二維LBM對微液滴在被修飾固體表面上接觸角

4、進行了分析研究。結(jié)果表明當(dāng)液滴的尺寸大于粗糙度的尺寸時，傳統(tǒng)的Cassie方程可以恰當(dāng)?shù)挠嬎愕玫揭旱蔚慕佑|角。而當(dāng)液滴的尺寸與粗糙度尺寸相當(dāng)時，Cassie方程則不能描述液滴的接觸角。引起Cassie方程失效的原因是由于接觸線附近局部粗糙度的錨定效應(yīng)造成的。
　　2.采用三維LBM研究了微液滴在被修飾了長方體柱子的固體表面的蒸發(fā)過程。通過模擬研究發(fā)現(xiàn)液滴在蒸發(fā)過程中分為粘附和滑移兩個階段。我們仔細對這兩個階段進行了研究，發(fā)現(xiàn)在錨定

5、階段接觸線并不是固定不動的而是在進行緩慢的移動。而在滑移階段發(fā)生的去錨定，每次去錨定的柱子個數(shù)與其概率遵循冪定律關(guān)系。
　　3.利用能量分析和二維LBM對冷凝液滴的自發(fā)Wenzel到Cassie態(tài)的轉(zhuǎn)變進行了研究。通常液滴從Cassie態(tài)到Wenzel態(tài)的轉(zhuǎn)變被認為是可以自發(fā)發(fā)生的，而從Wenzel到Cassie的轉(zhuǎn)變則被認為是不可自動發(fā)生的。本文通過模擬發(fā)現(xiàn)，冷凝液滴在不斷生長過程中，由于Wenzel態(tài)能量的逐漸增加，使得液滴會

6、自發(fā)從Wenzel轉(zhuǎn)變?yōu)镃assie態(tài)從能量角度變?yōu)榭赡堋６鴮嶒炛须y于觀察到這種轉(zhuǎn)變的根本原因在于底面對液滴的粘附功。這可為理想超疏水材料的設(shè)計提供指導(dǎo)意見。
　　4.利用二維LBM對液滴滴落在再入凹角結(jié)構(gòu)表面的潤濕動力學(xué)特征和最終狀態(tài)進行了詳細分析。我們分別采用了柱形，T形，倒三角形，圓孔形基底，當(dāng)液滴以不同的初始速度滴落到具有不同親疏水程度的固體表面時，我們觀察到對于再入凹角結(jié)構(gòu)，即使固體化學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)親水，液滴最終仍然可以保持

7、Cassie狀態(tài)。我們比較了四種結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，最終T形保持液滴呈現(xiàn)Cassie態(tài)的性能是最好的。但T形同時也具有一些缺點，我們在其基礎(chǔ)上設(shè)計了新的構(gòu)型，新構(gòu)型可以使液滴在相同情況下總能保持Cassie態(tài)。同時揭示了液滴在具有潤濕梯度表面具有不同跳躍方向的原因。
　　5.利用三維LBM對液滴的潤濕維度進行了研究。當(dāng)液滴從Cassie態(tài)轉(zhuǎn)變到Wenzel態(tài)時，液滴有可能只潤濕接觸線附近的區(qū)域，而中間的區(qū)域則不被潤濕，稱為一維潤濕?；蛘咭?/p>