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基于热力学分析的超疏水表面几何优化设计

崔晓松

   具有较大接触角和较小接触角滞后的超疏水表面由于具有理想的液滴脱落或滚动性质,在过去二十年里吸引了强烈的学术研究。这种具有独特润湿性质的表面在微流体、生物芯片、卫星天线防尘、电缆防冰等领域具有广泛的应用前景。研究发现固体表面的疏水性取决于其表面的化学组成和表面微观几何结构,然而低的表面化学能提高表面的疏水性是有限的,而微观几何表面结构对超疏水性特别是静态接触角的贡献是巨大的,因为微观几何表面大大提高了粗糙比。由于接触角滞后现象的存在使得粗糙表面接触角与润湿的关系变的复杂,其物理机制及它和表面润湿性的关系至今还不是很清楚。此外,对于一个由液固气三相组成的润湿系统,受外部环境变化影响严重(如振动能),因此理论上研究超疏水性特别是计算接触角尤其是接触角滞后,进而建立它们与各种表面微结构的关系非常重要。本文创新之处在于通过运用超疏水热力学模型,建立了自由能和接触角以及自由能垒和接触角滞后的关系,系统地分析了微结构几何表面、本征接触角与表面润湿性尤其是与接触角滞后的直接联系。主要研究内容如下: 1.通过梯形微结构表面的热力学分析,讨论了几何参数对静态接触角、接触角滞后以及润湿转换的影响。结果发现只有高和底角同时达到临界值时才能实现非复合和复合态的润湿转换,进而形成稳定的复合态超疏水表面。随着上底的减小,静态接触角增大和接触角滞后减小,当上底趋于零时,前进角等于后退角等于静态接触角,接触角滞后为零,特别的复合态的静态接触角高达176°,此类微结构表面(锯齿结构)具有完美的超疏水性能。当基底间距的取值趋于零时,复合态的静态接触角从θ_C= 151°降到θ_C= 138.6°。 2.通过分析本征接触角对超疏水表面的影响,结果发现亲水表面(θ_Y = 80°)比疏水表面(θ_Y = 120°)更加不稳定。对于亲水表面,非复合态比复合态更加稳定,而且没有润湿转换;然而对于疏水表面复合态比非复合态更加稳定,而且存在润湿转换。 3.通过分析自由能垒对接触角滞后的影响,结果发现对于低本征接触角表面(亲水表面)存在负的自由能垒,如果润湿系统从外界环境吸收附加能克服自由能垒会导致前进角增大,后退角减小,接触角滞后变大。然而对高本征接触角表面(疏水表面)存在正的自由能垒,如果润湿系统从外界环境吸收附加能克服自由能垒会导致前进角变小,后退角增大,接触角滞后变小。……   
[关键词]:超疏水;接触角;接触角滞后;自由能;自由能垒
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:湘潭大学2010年