飞秒激光制备“雾水收集”复合双面神膜的方法研究
发布时间：2020-07-14 00:54
【摘要】：受自然生物多样性的启发,近年来,越来越多的科研人员开始对生物独特功能与结构进行了深入的研究。得益于自然生物如仙人掌刺、蜘蛛丝、和沙漠甲虫具有独特的形貌结构进而可以从潮湿的雾气环境中收集水分的启发,研究人员进行了仿生材料的研究。另一方面,飞秒激光仿生微纳加工具有精度高、速度快、高峰值功率、以及可以实现大阵列大范围可控加工等优势,因而可以取代传统工艺相对复杂的物理或化学方法。本文采用超快速飞秒激光微纳加工技术作为加工方法,选用铝箔与PDMS(聚二甲基硅氧烷)复合材料作为加工对象,通过仿真等多次反复试验确定最佳的加工参数,制备了具有特定功能的微纳米多孔阵列结构,实现了高效的雾水收集功能。全文的主要研究内容如下:首先指出雾水收集课题的研究意义及必要性,对当前国内外雾水收集的研究现状及发展趋势做了分析,接着阐述了使用飞秒激光在制备雾水收集器件方面的研究进展。其次分析了飞秒激光微纳加工平台及其相关部件的工艺参数。详细阐述了飞秒激光中放大级光路系统的组成原理,以及分析各部件在实际微纳加工中对光路调制与脉冲能量调节所起的一些作用,介绍了飞秒激光微纳加工平台的三大模块即飞秒激光系统、精密加工系统和计算机控制系统。接着在实验中利用有限元多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics5.3版本研究了单脉冲与多脉冲对铝箔表面产生的微孔形貌的影响和脉冲峰值以及材料厚度对复合材料微孔形貌的影响。最后利用飞秒激光钻孔技术在复合基底上制备了具有规整微孔阵列的复合双面神膜,实现了雾气的高效收集。该双面神膜的上表面是一层疏水的PDMS,下表面是一层亲水的铝箔,因而呈现出相反的润湿特性。微孔阵列具有的特定锥孔形貌所产生的拉普拉斯力与膜两面相反的润湿特性产生的润湿梯度力共同驱使液滴从膜上表面转移到下表面。之后研究了复合双面神膜的结构参数对润湿特性的影响;进行了单一润湿性膜与复合的润湿性膜在水滴收集现象与水雾收集效率方面的对比分析。结果显示:这种复合双面神膜呈现出一种自驱动收集雾水功能,在雾气收集效率方面提升了 178%。此外,该复合双面神膜不需要特定的疏水试剂修饰,因而具有环境友好的特点。该项工作为飞秒激光微纳加工在雾水收集应用方面提供了一种解决方案。
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN249
【图文】：
独特的自然属性，实现了结构与功能的协调统一，以帮助它们在严酷的自然环境逡逑中生存［｜°？。目前人们己对仙人掌、蜘蛛丝、沙漠甲虫利用自身进化形成的表面逡逑微纳米结构改变对水的亲和力的机理进行了深刻的研宄（如图１．邋２所示）。仙人逡逑掌可以在干旱沙漠中利用其自身的锥形刺状结构从潮湿的自然环境中自发收集逡逑雾水。其独特的雾水收集系统可以归结为自身独特的形貌结构及表面多级微结逡逑构。首先，微小的雾滴会沉积在倒刺上，随着液滴不断沉积的进疔，液滴会增长逡逑变大，进而被输送到中间的凹槽，由于凹槽上具有粗糙度的差异，会形成一种表逡逑面能梯度力，由于液滴所处的曲率不同又会形成拉普拉斯力的作用，在这些驱动逡逑力的作用下水滴最终会被从顶端运输到锥刺底部的毛状体部位，进而实现水滴的逡逑收集与储存［１２］。润湿状态下的蜘蛛丝由纺锤节与关节组成，其中纺锤节结构由无逡逑２逡逑
纳米布沙漠是世界上最干燥的沙漠之一，大约形成于八千万年前，现坐逡逑落于非洲最大的诺克鲁夫特国家公园［￣６］。纳米布沙漠甲虫是一种以其独特的集逡逑水能力而闻名于世的生物。通过图１．１沙漠甲虫背部的电镜图我们可以看到甲虫逡逑背部凹凸不平的表面是由一种疏水的蜡状物质和亲水物质组成，这种亲疏相间的逡逑表面对于水滴的捕获和运输起到至关作用Ｍ７］。当雾气碰撞到亲水区域时，雾滴会逡逑快速的沉积在亲水区域，随着液滴的不断增长变大，长大到足以克服表面的毛细逡逑力作用时从亲水区域滚到疏水区域，而疏水区域又可以将水滴输送到另一个亲水逡逑区域，如此周而复始，使得这种亲疏相间的表面可以快速连续的从雾气中收集水逡逑分并转移到甲虫嗬里，进而维持体内水分的供给。逡逑近年来，愈发紧迫的淡水危机推动了[樗占衃偟姆⒄埂Ｊ艿缴鲜鲎匀唤珏义希炊参锏钠舴
本文编号：2754232
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN249
【图文】：
独特的自然属性，实现了结构与功能的协调统一，以帮助它们在严酷的自然环境逡逑中生存［｜°？。目前人们己对仙人掌、蜘蛛丝、沙漠甲虫利用自身进化形成的表面逡逑微纳米结构改变对水的亲和力的机理进行了深刻的研宄（如图１．邋２所示）。仙人逡逑掌可以在干旱沙漠中利用其自身的锥形刺状结构从潮湿的自然环境中自发收集逡逑雾水。其独特的雾水收集系统可以归结为自身独特的形貌结构及表面多级微结逡逑构。首先，微小的雾滴会沉积在倒刺上，随着液滴不断沉积的进疔，液滴会增长逡逑变大，进而被输送到中间的凹槽，由于凹槽上具有粗糙度的差异，会形成一种表逡逑面能梯度力，由于液滴所处的曲率不同又会形成拉普拉斯力的作用，在这些驱动逡逑力的作用下水滴最终会被从顶端运输到锥刺底部的毛状体部位，进而实现水滴的逡逑收集与储存［１２］。润湿状态下的蜘蛛丝由纺锤节与关节组成，其中纺锤节结构由无逡逑２逡逑
纳米布沙漠是世界上最干燥的沙漠之一，大约形成于八千万年前，现坐逡逑落于非洲最大的诺克鲁夫特国家公园［￣６］。纳米布沙漠甲虫是一种以其独特的集逡逑水能力而闻名于世的生物。通过图１．１沙漠甲虫背部的电镜图我们可以看到甲虫逡逑背部凹凸不平的表面是由一种疏水的蜡状物质和亲水物质组成，这种亲疏相间的逡逑表面对于水滴的捕获和运输起到至关作用Ｍ７］。当雾气碰撞到亲水区域时，雾滴会逡逑快速的沉积在亲水区域，随着液滴的不断增长变大，长大到足以克服表面的毛细逡逑力作用时从亲水区域滚到疏水区域，而疏水区域又可以将水滴输送到另一个亲水逡逑区域，如此周而复始，使得这种亲疏相间的表面可以快速连续的从雾气中收集水逡逑分并转移到甲虫嗬里，进而维持体内水分的供给。逡逑近年来，愈发紧迫的淡水危机推动了[樗占衃偟姆⒄埂Ｊ艿缴鲜鲎匀唤珏义希炊参锏钠舴
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