基于激光加工实现水下气泡动态操控的研究
发布时间：2021-01-09 17:30
激光加工技术因具有精度高,耗时短等优点,近些年被广泛应用在精密钻孔,精密切割,微纳加工等领域。通过激光加工在材料表面构造理想的微结构,可以高效、精准地控制表面润湿性。本文以激光加工技术为基础,研究了一系列操控水下气泡的方法,为超高速气泡捕捉、定向气泡输送、收集和气液分离等领域的先进材料设计提供新的视角。全文内容主要包括以下几部分:（1）通过纳秒激光微钻孔制备了具有锥孔阵列的紫外光/热双响应锌箔,其上表面的微孔直径达到141μm,下表面微孔直径为60μm;一旦锥孔阵列锌箔被加热改性,其上表面将呈现超疏水性,而下表面仍保持亲水,这种具有非对称润湿性的材料形象地称为“双面神”。我们基于“双面神”锌箔的润湿梯度特性成功地捕获了水下气泡;随后,“双面神”锌箔被放在紫外LED下辐照10 h后,其上表面由超疏水恢复为亲水,我们利用这种双面亲水的锌箔驱赶水下气泡。基于锌箔的紫外光/热双响应特性,可以快速实现“双面神”锌箔与双面亲水锌箔的可逆切换,达到对水下气泡进行捕获或驱逐的目的。这种结合纳秒激光打孔和外部刺激的方法具有很多优点:1.纳秒激光加工技术不受材料的限制,它可根据控制系统中绘制的复杂图案进行...
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
具有液滴操控能力的生物
第一章绪论10捕获气泡和排斥气泡之间的可逆切换；（2）将仿水稻叶的PDMS沟槽表面与SLMP相结合，制备了SLMP注入表面(SLMP-IS)实现了水下气泡的各向异性滑动。1.2材料表面润湿性材料的润湿性主要包括材料与液体或气体的接触角、滚动角、粘滞力等，是材料表面的重要性质。润湿性是材料表面的微纳结构和化学成分共同作用的结果，通过改变材料润湿性，可以达到控制液滴或气泡运动的目的。1.2.1接触角接触角是衡量固体表面润湿性的一个重要参数。如图1.2所示，当固体表面的液滴处于平衡状态时，在液体/固体/气体的交叉点处作一条气/液界面的切线，该切线与固体表面的夹角，称为接触角。图1.2接触角的定义Fig.1.2Theconceptofcontactangle.固体表面的润湿过程与固体的表面张力有关。当液滴在固体表面达到平衡状态时，可以使用杨氏方程来解释接触角与表面张力之间的关系。=+（1.1）式中、、分别表示固气、固液、液气之间的表面张力（N/m），为固体表面的接触角。根据杨氏方程可以推测出固体表面接触角的大小并反映出几种不同的润湿特性：（1）当0o<时，固体表面具有超亲水特性，此时液滴极易滞留在固体表面并沿着表面迅速铺展；（2）当<时，固体表面具有亲水特性，此时液滴也会滞留在固体表面并沿着表面缓慢铺展；（3）当<时，固体表面具有疏水特性，此时液滴不易在固体表面铺展；（4）当150o时，固体表面具有超疏水特性，此时液滴接触固体表面时会
构。由于粗糙结构的存在，固液界面实际接触面积大于表观上的接触面积，从而提高了固体表面的亲水性或疏水性。根据Wenzel方程，粗糙表面的接触角与光滑表面的接触角具有如下关系：=（1.2）式中为固体表面粗糙因子，是固液界面的实际接触面积与表观接触面积之比。所以，粗糙结构对固体表面的润湿性起到了放大作用，即固体表面是本征疏水时，表面的粗糙度越大，接触角越大；固体表面是本征亲水时，表面的粗糙度越大，接触角越校但是，Wenzel方程只适用于固体表面粗糙结构均匀的表面，这大大降低了Wenzel方程的适用性。图1.3Wenzel模型Fig.1.3ThemodelofWenzel而科学家Cassie却认为液体无法完全浸入固体表面的粗糙结构，液滴在粗糙表面以一种复合状态存在，如图1.4所示。即液滴无法完全浸入固体表面，液滴与固体表面间还存在一部分空气。液滴与表面的表观接触面积实际是固/液接触面积与固/气接触面积之和。根据Cassie方程，粗糙表面接触角与光滑表面接触角具有如下关系：=+1（1.3）式中为固液接触面积与表面积之比。对于本征疏水的固体表面（），越小则越大，所以粗糙结构同样对固体表面的润湿性具有放大作用。当固体表面的粗糙度足够大时，液滴将会以球状滞留在固体表面。虽然Cassie模型与Wenzel模型对于液滴与固体的接触方式提供了不同的想法，但都考虑到了粗糙结构对固液接触的影响，为后续的润湿性研究提供了理论支撑。
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳秒激光和飞秒激光对透明电光陶瓷表面损伤研究[J]. 张学娇,叶青,瞿荣辉,蔡海文. 中国激光. 2014(07)
[2]纳秒、皮秒和飞秒激光脉冲对材料表面的改性(英文)[J]. TRTICA M S,GAKOVIC B M,RADAK B B,BATANI D,TARASENKO V F,PETROVIC S,STASIC J,MILOVANOVIC D,KRMPOT A,JELENKOVIC B. 光学精密工程. 2011(02)
[3]基于半波片的偏振跟踪理论分析[J]. 马晶,张光宇,戎亦文,谭立英. 物理学报. 2006(01)
[4]钛宝石飞秒激光的啁啾脉冲再生放大[J]. 张树葵,文国庆,周丕璋,满永在,彭翰生,王清月. 强激光与粒子束. 1996(04)
本文编号：2967095
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
具有液滴操控能力的生物
第一章绪论10捕获气泡和排斥气泡之间的可逆切换；（2）将仿水稻叶的PDMS沟槽表面与SLMP相结合，制备了SLMP注入表面(SLMP-IS)实现了水下气泡的各向异性滑动。1.2材料表面润湿性材料的润湿性主要包括材料与液体或气体的接触角、滚动角、粘滞力等，是材料表面的重要性质。润湿性是材料表面的微纳结构和化学成分共同作用的结果，通过改变材料润湿性，可以达到控制液滴或气泡运动的目的。1.2.1接触角接触角是衡量固体表面润湿性的一个重要参数。如图1.2所示，当固体表面的液滴处于平衡状态时，在液体/固体/气体的交叉点处作一条气/液界面的切线，该切线与固体表面的夹角，称为接触角。图1.2接触角的定义Fig.1.2Theconceptofcontactangle.固体表面的润湿过程与固体的表面张力有关。当液滴在固体表面达到平衡状态时，可以使用杨氏方程来解释接触角与表面张力之间的关系。=+（1.1）式中、、分别表示固气、固液、液气之间的表面张力（N/m），为固体表面的接触角。根据杨氏方程可以推测出固体表面接触角的大小并反映出几种不同的润湿特性：（1）当0o<时，固体表面具有超亲水特性，此时液滴极易滞留在固体表面并沿着表面迅速铺展；（2）当<时，固体表面具有亲水特性，此时液滴也会滞留在固体表面并沿着表面缓慢铺展；（3）当<时，固体表面具有疏水特性，此时液滴不易在固体表面铺展；（4）当150o时，固体表面具有超疏水特性，此时液滴接触固体表面时会
构。由于粗糙结构的存在，固液界面实际接触面积大于表观上的接触面积，从而提高了固体表面的亲水性或疏水性。根据Wenzel方程，粗糙表面的接触角与光滑表面的接触角具有如下关系：=（1.2）式中为固体表面粗糙因子，是固液界面的实际接触面积与表观接触面积之比。所以，粗糙结构对固体表面的润湿性起到了放大作用，即固体表面是本征疏水时，表面的粗糙度越大，接触角越大；固体表面是本征亲水时，表面的粗糙度越大，接触角越校但是，Wenzel方程只适用于固体表面粗糙结构均匀的表面，这大大降低了Wenzel方程的适用性。图1.3Wenzel模型Fig.1.3ThemodelofWenzel而科学家Cassie却认为液体无法完全浸入固体表面的粗糙结构，液滴在粗糙表面以一种复合状态存在，如图1.4所示。即液滴无法完全浸入固体表面，液滴与固体表面间还存在一部分空气。液滴与表面的表观接触面积实际是固/液接触面积与固/气接触面积之和。根据Cassie方程，粗糙表面接触角与光滑表面接触角具有如下关系：=+1（1.3）式中为固液接触面积与表面积之比。对于本征疏水的固体表面（），越小则越大，所以粗糙结构同样对固体表面的润湿性具有放大作用。当固体表面的粗糙度足够大时，液滴将会以球状滞留在固体表面。虽然Cassie模型与Wenzel模型对于液滴与固体的接触方式提供了不同的想法，但都考虑到了粗糙结构对固液接触的影响，为后续的润湿性研究提供了理论支撑。
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳秒激光和飞秒激光对透明电光陶瓷表面损伤研究[J]. 张学娇,叶青,瞿荣辉,蔡海文. 中国激光. 2014(07)
[2]纳秒、皮秒和飞秒激光脉冲对材料表面的改性(英文)[J]. TRTICA M S,GAKOVIC B M,RADAK B B,BATANI D,TARASENKO V F,PETROVIC S,STASIC J,MILOVANOVIC D,KRMPOT A,JELENKOVIC B. 光学精密工程. 2011(02)
[3]基于半波片的偏振跟踪理论分析[J]. 马晶,张光宇,戎亦文,谭立英. 物理学报. 2006(01)
[4]钛宝石飞秒激光的啁啾脉冲再生放大[J]. 张树葵,文国庆,周丕璋,满永在,彭翰生,王清月. 强激光与粒子束. 1996(04)
本文编号：2967095
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jiagonggongyi/2967095.html
