仿壁虎的干型自清洁表面制备及机理研究

发布时间：2020-03-20 01:20

【摘要】：随着数百万年的自然进化,有机体已经能够自发的进化出具有多功能特性的复杂的结构、图案或纹理等等。在所有已经被观察到的这些特征中,某些生物体具有的自清洁能力被认为是最有趣的一个。由于自清洁在各个领域具有的潜在应用,所以自清洁成为了仿生学的主题,在航空航天,能源转换以及生物医学和环境保护等领域都有着广泛的研究。最近,各种各样的深入研究已经开展,其中引人注目的一些生物结构包括荷叶,鲨鱼皮,蝴蝶翅膀和壁虎脚。为了更好地理解他们的自清洁机制并应用于仿生,了解微/纳米材料在基底上的附着和从基底上的分离,在界面科学领域具有重要意义。因此,我们制造了两种AFM尖端:一种具有直径为980 nm的SiO_2纳米颗粒的纳米球AFM尖端和另一种在AFM尖端的末端具有959 nm边长的三角形的截断尖端,然后通过AFM研究动态黏附力增强。结果表明:当收缩速度从0.02μm/s增加到156μm/s时,两个尖端对四种不同基底的黏附力显着增加,并且在蓝宝石基底上的增加最高;不同基底的纳米尺度样品(纳米球尖端和截断端)的附着力顺序为:高定向热解石墨(HOPG)硅片云母蓝宝石,这与基底的杨氏模量相反。另外,截断端的黏附力大于纳米球端的黏附力。尖端形状和基底对动态黏附力有明显影响。其次,自洁表面具有低能耗,可重复使用和可持续性的优点。这些类型的表面在汽车轮胎,攀爬机器人和航空航天工程领域具有广阔的应用前景。受壁虎脚独特的干型自清洁层次结构的启发,我们制造了具有自清洁性能的仿生PDMS/Fe_3O_4复合材料。PDMS与Fe_3O_4磁性纳米粒子之间的聚合度和能量转移的降低被认为是改善纤维性能的主要影响因素。纯PDMS表面可以通过6步清除24.3%的污染颗粒从而表现出自清洁能力,而具有5%和10%的Fe_3O_4复合物的样品仅通过4步就可以移除近20%的污染颗粒,并且具有柔韧的机械性能。此外,具有更高硬度的柱子尖端展现出更好的自清洁能力。本文这项工作提供了纳米结构硬度的调节方法和自清洁表面的制造的新途径,其在纺织工业,机器人工业和组织工程领域中都具有应用前景。
【图文】：

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- 4 -图 1.1 天然植物及其表面形态。(a)莲叶。(b)荷叶扫描电子显微镜(SEM)。(c)阿努比亚叶。(d)阿努比亚叶的 SEM 照片。(e)在超疏水表面和超亲水性表面上自我清洁表面。Fig. 1.1 Natural plants and their surface morphology. (a) Lotus leaf. (b) Scanningelectron microscopy (SEM) picture of lotus leaves. (c) Anubias leaves. (d) SEM pictureofAnubias leaves. (e) Demonstration of self-cleaning on a superhydrophobic surface and asuperhydrophilic surface.1.2.1 表面有水自清洁水是最丰富和最自由的液体系统，具有最佳的密度和极性，正被用作清除表面上不同类型污染物的基本介质。在自然界中，，许多巧妙的设计将表面特性与水能学结合起来，以冲刷材料表面。荷叶[29, 30]是最早发现和研究的自清洁生物表面之一，它使用特定的水-表面相互作用来清洁叶子的表面。Young 等人[31-34]提出了

自清洁,表面

图 1.3 仿生自清洁表面。(a)通过软平版印刷制造。(b)通过电刷镀和黑化工艺制造。(b)通过电刷镀和黑化工艺制造。(c)通过氧化铝纳米粒子制造。(d)通过碳纳米管制造。Fig. 1.3 Biomimetic self-cleaning surfaces. (a) Fabricated through soft-lithographic imprinting.(b) Fabricated through an electro-brush plating and blackening process. (c) Fabricatedthrough aluminium oxide nanoparticles. (d) Fabricated through carbon nanotubes.图 1.3 总结了最近报道的一些引人注目的方法。Liu 等人[48]使用先进的软平版印记技术来制作仿生和自清洁表面(图 1.3a)。合成的具有印迹突起的表面紧密地模仿了荷叶结构。表面突起的存在大大增加了位于该表面上的水滴的接触角，这是由于水滴和粗糙表面之间夹杂的空气，其与荷叶具有相同的原理。图 1.3b 显示了Wei 等人[49]通过电刷镀和黑化工艺构建的具有类似结构基底。图 1.3c，d 提供了由Alexander 等人[50]制造的涂覆有氧化铝纳米颗粒的表面和由Lau等人[51]研究的碳纳米管(CNT)覆盖的自清洁表面的实例。图 1.3 中的所有样品都是基于疏水性表面的自清洁材料。与疏水的自清洁材料相比，由于高表面张力要求，亲水表面在制造方法上没有太多变化。包括 TiO2，SiO2，ZnO，VO2，Ag 和聚多巴胺包裹的十八
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：Q811;TB383.1

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