浸润性与机械稳定性拆分强化构筑超疏水表面及其应用研究
发布时间：2021-07-09 11:26
超疏水表面的自清洁、保持干燥以及低粘附力等功能特点在生物技术、医学和工程领域具有广泛的应用前景。由于传统表面的超疏水性和机械稳定性不可兼得,成为限制其实际应用的最大障碍。另外,面向应用还需具备化学稳定性、抗射流冲击和抗冷凝失效等性能,这对超疏水表面的真实应用提出了极高的要求。本论文提出不同于传统增强机械稳定性的思路,创造性地将表面的浸润性和机械稳定性拆分至两种不同的结构尺度,并提出装甲的概念,用微结构保护超疏水纳米材料免遭摩擦磨损。本论文主要解决了超疏水表面机械稳定性不足这一关键问题,同时因装甲结构的引入,提升了其他综合性能,推动超疏水表面进入实际应用。研究工作简介如下:（1）基于拆分超疏水性和机械稳定性的思路,用微结构作为保护纳米粗糙度的装甲,以提高超疏水表面机械稳定性。结合浸润性理论及机械力学原理分析,得出连续结构、低结构面积分数、大侧壁角度（120?5°）三个装甲结构设计原则,设计出以倒四棱锥微腔阵列为代表的装甲表面。利用光刻、冷/热压等微细加工技术在硅片、陶瓷、金属、玻璃等普适性基底表面成功的制备出了倒三棱锥、倒四棱锥和倒六棱锥微结构装甲,并在微结构中填充纳米二氧化硅材料或喷涂...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：114 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
通过化学或物理等手段对各类材料进行表面功能化以后，才能使其走向实际应用；可见，材料表面科学与工程研究的意义重大
电子科技大学博士学位论文2由于处在界面上的分子环境特殊，表现出许多特殊的物理、化学性质，如表面张力(surfacetension)、毛细现象(capillarity)、润湿现象(wettability)等，研究者们将这些界面性质赋予了科学的解释，并将其总结为表面浸润性，也称润湿性。润湿性是表界面科学中的一个重要分支，也是材料表面的重要特征[2]。液体对固体表面的浸润，是常见的界面现象，不仅影响自然界中动、植物的各种生命活动，而且对人类的生活和生产起着重要影响。理解和调控浸润性，即液体与固体表面的相互作用，已成为表面科学与工程研究的关键问题，影响着包括生命科学、化学化工、信息技术在内的诸多科学技术领域[3-22]。在人类社会生活中，特别是极端环境条件下的许多表界面相关的科学问题仍未能得到有效解决，带来了许多不利影响并造成严重的经济损失，甚至带来毁灭性灾难。如图1-2所示，飞机、轮船、高压输电设备等遭遇严重的结冰[23,24]，以及汽车车窗和后视镜起雾[25]都可能导致人类的生命财产受到严重威胁。而金属腐蚀和海洋生物粘附、原油污染、管道固-液输运阻力、太阳能电池板积灰、人机界面指纹残留等现象则会增加能源输出、加重环境负担、降低生产效率[16,26-28]。因此，设计能够承受复杂环境挑战的功能界面材料对人类的生存发展至关重要。值得注意的是，上述界面现象都与材料表面浸润性相关。图1-2日常生活中由界面诱发的诸多不利现象。(a)飞机螺旋桨结冰；(b)高压输电设备结冰；(c)车窗玻璃起雾；(d)金属材料被腐蚀；(e)船底粘附大量贻贝；(f)原油污染，导致鸟类羽毛被浸润；(g)管道输运阻力增加能源消耗；(h)太阳能电池面板严重积灰；(i)终端设备的人机交互界面残留指纹
液体，(2)可控操纵流体，(3)在复杂、极端的环境条件下长效运行，将对环境、能源和健康等领域产生广泛影响。然而，这已被证明极具挑战。在自然界中，许多生命体衍化出精细复杂的表面结构，形成特殊的固-液相互作用，即特殊浸润性。这些生物能在特定环境中生存，表现出高度的环境适应性[5,7,9,14,29-31]。例如，荷叶依靠表面的微/纳结构捕捉空气，在固-液之间形成气垫，使得液滴极易滚落，表现出超疏水的性能[32]。液滴在滚落的同时，可带走表面的污垢使表面保持清洁，这种自清洁(self-cleaning)效应也被称之为荷叶效应，如图1-3(a)。跳虫(springtails)是一种长期生活在土壤中的节肢动物，它们已经进化出的双内凹纳米结构的皮肤，可防止土壤中的污水或有机液体浸润其躯体[33]，如图1-3(b)。又如，猪笼草(Nepenthes)尽管不具备任何主动捕猎机制，却能成功“吞噬”昆虫。究其原理，主要是借助笼体口缘连续的微米级纹理，不仅能将笼中液体向外定向运输至口缘，还能长期锁住润滑液从而构成超滑表面，使昆虫被动滑落进入笼体，从而被“消化”吸收[34,35]，如图1-3(c)所示。此外，水黾的水上行走能力，蝴蝶翅膀对液滴的定向粘附性，以及沙漠甲虫、蜘蛛网和仙人掌的集水功能，都是生物体独特的微/纳米表面结构和固有的材料特性表现出来的特殊浸润性[36]。图1-3自然界中典型的超疏液表面。(a)拥有自清洁功能的荷叶表面具有微纳米结构[32]；(b)跳虫的躯体具有特殊的单内凹结构，可疏有机液体的[33]；(c)猪笼草口缘的微纳米结构充分灌入液体后展现出超滑效果，使“猎物”滑落到笼子里被“捕获”[34,35]受生物体为适应各种环境进化而来的特殊浸润性原理（巧妙的结构设计）的启发，广大科研工作者师法自然，对生物体的浸润性原理深入研究，并通?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Sustaining enhanced condensation on hierarchical mesh-covered surfaces[J]. Rongfu Wen,Shanshan Xu,Dongliang Zhao,Lixin Yang,Xuehu Ma,Wei Liu,Yung-Cheng Lee,Ronggui Yang. National Science Review. 2018(06)
本文编号：3273657
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：114 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
通过化学或物理等手段对各类材料进行表面功能化以后，才能使其走向实际应用；可见，材料表面科学与工程研究的意义重大
电子科技大学博士学位论文2由于处在界面上的分子环境特殊，表现出许多特殊的物理、化学性质，如表面张力(surfacetension)、毛细现象(capillarity)、润湿现象(wettability)等，研究者们将这些界面性质赋予了科学的解释，并将其总结为表面浸润性，也称润湿性。润湿性是表界面科学中的一个重要分支，也是材料表面的重要特征[2]。液体对固体表面的浸润，是常见的界面现象，不仅影响自然界中动、植物的各种生命活动，而且对人类的生活和生产起着重要影响。理解和调控浸润性，即液体与固体表面的相互作用，已成为表面科学与工程研究的关键问题，影响着包括生命科学、化学化工、信息技术在内的诸多科学技术领域[3-22]。在人类社会生活中，特别是极端环境条件下的许多表界面相关的科学问题仍未能得到有效解决，带来了许多不利影响并造成严重的经济损失，甚至带来毁灭性灾难。如图1-2所示，飞机、轮船、高压输电设备等遭遇严重的结冰[23,24]，以及汽车车窗和后视镜起雾[25]都可能导致人类的生命财产受到严重威胁。而金属腐蚀和海洋生物粘附、原油污染、管道固-液输运阻力、太阳能电池板积灰、人机界面指纹残留等现象则会增加能源输出、加重环境负担、降低生产效率[16,26-28]。因此，设计能够承受复杂环境挑战的功能界面材料对人类的生存发展至关重要。值得注意的是，上述界面现象都与材料表面浸润性相关。图1-2日常生活中由界面诱发的诸多不利现象。(a)飞机螺旋桨结冰；(b)高压输电设备结冰；(c)车窗玻璃起雾；(d)金属材料被腐蚀；(e)船底粘附大量贻贝；(f)原油污染，导致鸟类羽毛被浸润；(g)管道输运阻力增加能源消耗；(h)太阳能电池面板严重积灰；(i)终端设备的人机交互界面残留指纹
液体，(2)可控操纵流体，(3)在复杂、极端的环境条件下长效运行，将对环境、能源和健康等领域产生广泛影响。然而，这已被证明极具挑战。在自然界中，许多生命体衍化出精细复杂的表面结构，形成特殊的固-液相互作用，即特殊浸润性。这些生物能在特定环境中生存，表现出高度的环境适应性[5,7,9,14,29-31]。例如，荷叶依靠表面的微/纳结构捕捉空气，在固-液之间形成气垫，使得液滴极易滚落，表现出超疏水的性能[32]。液滴在滚落的同时，可带走表面的污垢使表面保持清洁，这种自清洁(self-cleaning)效应也被称之为荷叶效应，如图1-3(a)。跳虫(springtails)是一种长期生活在土壤中的节肢动物，它们已经进化出的双内凹纳米结构的皮肤，可防止土壤中的污水或有机液体浸润其躯体[33]，如图1-3(b)。又如，猪笼草(Nepenthes)尽管不具备任何主动捕猎机制，却能成功“吞噬”昆虫。究其原理，主要是借助笼体口缘连续的微米级纹理，不仅能将笼中液体向外定向运输至口缘，还能长期锁住润滑液从而构成超滑表面，使昆虫被动滑落进入笼体，从而被“消化”吸收[34,35]，如图1-3(c)所示。此外，水黾的水上行走能力，蝴蝶翅膀对液滴的定向粘附性，以及沙漠甲虫、蜘蛛网和仙人掌的集水功能，都是生物体独特的微/纳米表面结构和固有的材料特性表现出来的特殊浸润性[36]。图1-3自然界中典型的超疏液表面。(a)拥有自清洁功能的荷叶表面具有微纳米结构[32]；(b)跳虫的躯体具有特殊的单内凹结构，可疏有机液体的[33]；(c)猪笼草口缘的微纳米结构充分灌入液体后展现出超滑效果，使“猎物”滑落到笼子里被“捕获”[34,35]受生物体为适应各种环境进化而来的特殊浸润性原理（巧妙的结构设计）的启发，广大科研工作者师法自然，对生物体的浸润性原理深入研究，并通?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Sustaining enhanced condensation on hierarchical mesh-covered surfaces[J]. Rongfu Wen,Shanshan Xu,Dongliang Zhao,Lixin Yang,Xuehu Ma,Wei Liu,Yung-Cheng Lee,Ronggui Yang. National Science Review. 2018(06)
本文编号：3273657
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