耦合仿生防雾表面的设计制造及其性能研究

发布时间：2020-10-09 03:47

　　雾化会造成光不能直接透过材料表面,这不仅会对材料的使用效率产生严重的影响,而且给我们的日常生活带来许多困扰甚至是危险。例如,腹腔镜镜头表面的雾气会影响手术的顺利进行;海上桥梁和船舶长时间暴露在潮湿环境中,易导致其老化和腐蚀;飞机和汽车挡风玻璃上的雾气是造成交通事故的重要原因;太阳能电池板表面上的雾气会降低光伏电池的转换效率;农业温室表面上的雾气会直接影响作物的新陈代谢。此外,在某些极端低温条件下,还可能会带来重大的安全隐患,例如,飞机、风力涡轮机、高压输电、电信设备和热交换器等表面,如果发生结霜或过量不均匀水冷凝的情况,将会导致设备运行效率降低,乃至出现整个系统瘫痪等灾难性后果。综上所述,防雾(AF)表面的研究具有重要的意义。近年来,尽管AF表面的研究取得了很大的进步,但其发展仍存在一些重大挑战。例如,如何巧妙地设计AF表面的纹理结构;如何制造出具有减反射、自清洁、耐磨等多功能的AF表面;如何不局限于实验室,实现大规模生产。我国近期在《“十三五”国家科技创新规划》和《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》等一系列政策性指导文件中也明确提出,“新材料设计与制备新原理和新方法”是面向国家重大战略任务重点部署的基础研究之一。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。本文从耦合仿生学角度出发,选取蜉蝣稚虫复眼为研究对象,利用喷雾模拟测试系统及接触角(CA)测试方法研究了蜉蝣稚虫复眼的AF功能,发现蜉蝣稚虫复眼AF行为分为三个阶段。通过润湿性理论揭示了蜉蝣稚虫复眼的AF机理。受蜉蝣稚虫复眼微结构阵列的启发,建立了四种规则的仿生微结构阵列模型,得出了表面浸润性与仿生微结构和材料表面能之间的关系规律。结合不同的仿生微结构、形态,以及材料,分别模仿蜉蝣稚虫复眼AF行为的三阶段,得到了三种浸润性不同、性能优异的耦合仿生AF表面。本文主要研究内容如下:首先,对蜉蝣的生态特征进行研究,确定选取蜉蝣稚虫复眼作为本文的研究对象,综合利用金相显微镜(OLYMPUS,PMG3)、扫描电子显微镜(JEOL,JSM-6700F)对蜉蝣稚虫复眼表面的三维结构进行表征,发现复眼表面上分布着尺寸均匀、有序排列的扁平状椭球阵列,并且单个扁平状椭球表面是光滑的,不存在纳米结构。利用3D超景深显微镜(KEYENCE,VHX-5000)作为观测设备,通过模拟AF测试方法,发现蜉蝣稚虫复眼的AF行为分为三个阶段,建立蝣稚虫复眼表面微结构阵列的三维模型,将雾滴分为大小两种尺寸,借助润湿性理论,揭示了其不同阶段的AF机理。然后,受到蜉蝣稚虫复眼表面微结构阵列的启发,设计了四种规则的仿生微结构阵列,并对其相应的润湿模型进行了分析,得出了以下结论:(1)凸状微结构阵列更适合疏水表面的设计,凹状微结构阵列更适合亲水表面的设计。(2)对于Cassie模型而言,表观CA与表面能参数的关系,主要由微结构阵列的布局决定,而不受微结构阵列形状的影响。(3)对于Wenzel模型而言,表观CA与表面能参数的关系,主要由微结构阵列的形状决定,而不受微结构阵列布局的影响。为接下来仿生微结构AF表面的设计和制造提供理论依据。最后,结合不同的仿生微结构、形态,以及材料,分别模仿蜉蝣稚虫复眼AF行为的三阶段,得到了三种浸润性不同、性能优异的耦合仿生AF表面,并从理论和试验方面进行了相关研究。(1)耦合仿生超疏水防雾表面的制造及其性能研究:结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,设计一组规则的周期结构,该表面粗糙度由微米级的圆柱阵列(MPA)和纳米级的二氧化硅(Si O2)颗粒构成,对PF耦合的MPA和Si O2涂层表面上雾滴的动态行为进行了仔细观察和机理分析。结果表明,MPA和Si O2涂层的耦合放大效应是实现超疏水AF的直接原因。(2)耦合仿生超亲水防雾表面的制造及其性能研究:以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为基底,结合湿法刻蚀和倒模法制备了一种具有优异机械性能的AF薄膜,在可见光波长范围内(400~800nm),对耦合PMMA(C-P)薄膜喷雾6min后,C-P薄膜的平均透过率仍保持在92.26%,经100°C水蒸汽试验10s后,C-P薄膜仍保持透明、清晰的外观,此外,倒金字塔微结构和硅溶胶的协同作用使薄膜还具有良好的减反射和超亲水性能,其中,硅烷偶联剂KH550的加入,使C-P薄膜的硬度、耐磨性和附着性均有明显提高。(3)耦合仿生润滑防雾表面制造及其性能研究:利用紫外光刻和倒模法制备出类似荷叶乳突状的微结构阵列(PMAs),采用三甲氧基(1H,1H,2H,2H-十七氟癸基)硅烷(FAS)处理表面,以全氟润滑油Krytox 1506作为润滑层浸润表面,成功地制备了仿生润滑PDMS薄膜(BLPF)。通过对样品光学性能的详细对比分析,在可见光波段内(400-800nm),BLPF的平均反射率降低了2.4%,BLPF在长波段(700-800nm)内显示出的最大透过率为90.5%,对BLPF表面连续模拟喷雾90s后,短波段范围内(400-500nm)的最大透过率达到60%以上,长波段范围内(500-800nm)的最大透过率接近90%。此外,BLPF表面对液体污染物的自清洁性能要优于固体粉尘。本文对于耦合仿生AF表面的研究取得了一定的进展,所采取的分析方法可为其他AF表面的机理分析提供可以借鉴的理论依据,所采用的仿生微结构和制备材料将为新型高效AF表面的研究提供新的设计思路。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB391
【部分图文】：

示意图,固体表面,表面张力,水滴

T homas Young首先描述了无柄液滴在平坦固体表面上的 CA（图1.1）[55]。当水滴与固体表面接触时，固-气、固-液和液-气之间的表面张力平衡

模型图,模型,润湿状态,固体表面

1.2.2.5 Marmur 模型Marmur[63, 64]提出了一种中间润湿状态来描述固体表面的润湿性（图 1.2c）。根据该模型，液滴在凹槽中浸润一定深度。描述表观 CA 的方程，即取决于与液体接触的固体表面的面积分数SLf ，也取决于粗糙度因子MR ： cos1cos10 MSLMf R（1-7）当 1SLf 且MR R时，润湿状态由 Wenzel 模型表征。在这种情况下，必须包含在从 Cassie -Baxter状态到状态的过渡的临界 CA 中。因此，将方程（1-3）与方程（1-4）组合得到：MSLSLCRRff 1cos （1-8）其中，Ccos 是从 C-B 到 W 过渡的临界 CA[65]。

后退角,测量液,斜板法,前进角

第 1 章绪论.2.3 动态润湿性无论雾滴的润湿行为是由Wenzel 、 Cassie -Baxter还是Marmur模型描述些理论模型仅允许评估水平表面上静态的表观 CA。事实上，经验表明，上湿模型所支持的实际表面 CA 并非只有一个。表观 CA 通常介于最大值和最之间，在固体表面上测量的最小 CA 通常称为“后退 CA”rec ，而最大 CA 称前进 CA”adv 。前进和后退 CA 之间的差值，即advrec ，称为“CA 滞CAH）。

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