液滴潤(rùn)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(guò)長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)化演變，具有多種多樣的特色屬性。魚在水中游動(dòng)、鳥在天空飛翔等自然界的現(xiàn)象使得人類得以通過(guò)觀察學(xué)習(xí)并制造出船和飛機(jī)等工具以供人類使用。仿生學(xué)作為一門模仿生物功能來(lái)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(huì)自動(dòng)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(diǎn)之一。實(shí)驗(yàn)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(jí)結(jié)構(gòu)，正是這一特殊結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)為

2、人們對(duì)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(jià)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(rùn)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(duì)液滴在固體表面的潤(rùn)濕以及去潤(rùn)濕行為進(jìn)行研究，考察了液滴潤(rùn)濕行為與表面納微結(jié)構(gòu)關(guān)系。
　　本文中我們首先對(duì)微液滴在被修飾固體表面的接觸角進(jìn)行了細(xì)致的研究，考察了Cassie

3、方程的適用范圍。針對(duì)微液滴的潤(rùn)濕動(dòng)力學(xué)，我們以微液滴在被修飾固體表面的蒸發(fā)過(guò)程為例考察了三相接觸線的移動(dòng)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(gè)方面對(duì)潤(rùn)濕態(tài)轉(zhuǎn)變的可能性進(jìn)行了研究。我們從微觀機(jī)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(guò)模擬以及理論闡明了一維或者二維潤(rùn)濕發(fā)生的條件。具體內(nèi)容如下:
　　1.采用二維LBM對(duì)微液滴在被修飾固體表面上接觸角

4、進(jìn)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(shí)，傳統(tǒng)的Cassie方程可以恰當(dāng)?shù)挠?jì)算得到液滴的接觸角。而當(dāng)液滴的尺寸與粗糙度尺寸相當(dāng)時(shí)，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(zhǎng)方體柱子的固體表面的蒸發(fā)過(guò)程。通過(guò)模擬研究發(fā)現(xiàn)液滴在蒸發(fā)過(guò)程中分為粘附和滑移兩個(gè)階段。我們仔細(xì)對(duì)這兩個(gè)階段進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在錨定

5、階段接觸線并不是固定不動(dòng)的而是在進(jìn)行緩慢的移動(dòng)。而在滑移階段發(fā)生的去錨定，每次去錨定的柱子個(gè)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(duì)冷凝液滴的自發(fā)Wenzel到Cassie態(tài)的轉(zhuǎn)變進(jìn)行了研究。通常液滴從Cassie態(tài)到Wenzel態(tài)的轉(zhuǎn)變被認(rèn)為是可以自發(fā)發(fā)生的，而從Wenzel到Cassie的轉(zhuǎn)變則被認(rèn)為是不可自動(dòng)發(fā)生的。本文通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，冷凝液滴在不斷生長(zhǎng)過(guò)程中，由于Wenzel態(tài)能量的逐漸增加，使得液滴會(huì)

6、自發(fā)從Wenzel轉(zhuǎn)變?yōu)镃assie態(tài)從能量角度變?yōu)榭赡?。而?shí)驗(yàn)中難于觀察到這種轉(zhuǎn)變的根本原因在于底面對(duì)液滴的粘附功。這可為理想超疏水材料的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)意見(jiàn)。
　　4.利用二維LBM對(duì)液滴滴落在再入凹角結(jié)構(gòu)表面的潤(rùn)濕動(dòng)力學(xué)特征和最終狀態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)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(shí)，我們觀察到對(duì)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(shí)也具有一些缺點(diǎn)，我們?cè)谄浠A(chǔ)上設(shè)計(jì)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(shí)揭示了液滴在具有潤(rùn)濕梯度表面具有不同跳躍方向的原因。
　　5.利用三維LBM對(duì)液滴的潤(rùn)濕維度進(jìn)行了研究。當(dāng)液滴從Cassie態(tài)轉(zhuǎn)變到Wenzel態(tài)時(shí)，液滴有可能只潤(rùn)濕接觸線附近的區(qū)域，而中間的區(qū)域則不被潤(rùn)濕，稱為一維潤(rùn)濕。或者液