微纳二级结构表面重液滴静动态行为分析

发布时间：2020-09-21 08:02

　　近年来,受“荷叶效应”的启发,科研人员通过模仿荷叶表面的微纳二级结构,制备了各种具有优异性能的表面,而超疏水表面由于其浸润性,在防冻、自清洁和液滴操纵等领域得到广泛应用。液滴在表面的静动态行为是评价超疏水性能的重要标准,本文在现有理论模型的基础上,对其进行了研究,主要研究内容及成果如下:1、针对微小液滴,在不考虑重力的情况下,通过热力学方法提出了一种可用于预测液滴在异质微纳二级结构表面的平衡接触角的计算模型。通过与Herminghaus模型、Patankar模型及实验数据进行对比证明了其准确性,并通过降阶的方法证明了本文方法是对现有理论的扩展与延伸。2、考虑重力对液滴的影响,基于有限差分和非线性寻优法,提出了一种模拟表面重液滴形态的计算模型,并将其模拟结果与荷叶实验和Lubarda模型进行对比验证了准确性。通过研究表面结构尺寸和材料疏水性对液滴形态的影响,发现第一级纳米结构对其影响远大于第二级微米结构和基底。3、利用所建立的重液滴模型,以C-C状态与W-W状态相互转变为例,研究液滴在表面的接触状态转变及其能垒。发现当表面结构具有较小的相对间距和较大的相对高度时,液滴易从W-W状态到C-C状态转变,有利于液滴处于C-C状态。4、利用所建立的重液滴模型,通过研究接触状态和表面结构尺寸对接触角滞后的影响,发现处于C-C状态的液滴具有较小的接触角滞后,在表面易发生滚动,这对制备超疏水表面有着一定借鉴意义。本文通过热力学方法,提出了一种可用于模拟微纳二级结构表面重液滴静动态行为的方法,为研究超疏水表面性能和设计优化表面结构提供了一种具有借鉴意义的方法。
【学位单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB306
【部分图文】：

模型图,表面接触角,液滴,模型

g 模型在固体表面上时，液体并不一定会完全展开而是与固体表面成一般研究人员认为在固-液-气三相交线处取一点做气-液界面的切界线之间的夹角就是接触角，此时液滴近似呈球形。固体表面液三相界面间表面张力平衡的结果，表面张力的平衡使得液滴在固稳态），此时系统的总能量趋于全局最小（或局部最小）。，Thomos Young 提出 Young's 方程[26]：SV SLeLVcos = SL ，LV 分别代表固-气、固-液、液-气界面的表面张力，θe为本本征接触角。Young's 方程被认为是研究液体在固体表面浸润现光滑平坦表面上形成的接触角，接触角是由表面张力决定，接触 1-1 所示。

外观形貌,接触角,本征,表观

图 1-5 两种状态中本征接触角与表观接触角的关系[32]图 1-5，增强了对液滴在 Cassie 状态和 Wenzel 状态之间浸润转换基于公式的定性分析。为了得到更加准确判断接触状态间转变的出了多种理论计算模型来研究接触状态的转变过程，从而得到状3,34]。李文等人通过从热力学方法，建立了超疏水表面的几何规则尺寸对液滴接触状态的影响，从而定量的提出了接触状态间相互对设计和研究超疏水表面具有重要意义[35]。Laplace 方程 Laplace 又提出了著名的 Young-Laplace 方程从而将液滴的形状与Young 和 Laplace 对研究液滴的外观形貌起到了开创性的作用，滴精确的形状最通常用的方法还是求解 Young-Laplace 微分方程轮廓满足 Young-Laplace 微分方程： 1 1P P o gh 2H

状态图,液滴,疏水性表面,状态

进/后退角还可以定义为：在增加液滴体积时，液滴与固体表面动而未动状态时的接触角是前进接触角，也可以理解为液滴在达到的角度，否则液滴的前端不会向前运动；在减少液滴体积将动而未动状态时的接触角是后退接触角，还可以解释为液滴要减小到的角度，否则液滴后端不会发生移动。θaθrα图 1-6 液滴在倾斜固体表面的润湿情况：θa为前进角；θr为后退角

【参考文献】