仿生超疏水表面的制备、疏水稳定性与应用研究

发布时间：2021-11-09 08:16

　　仿生超疏水表面具有非润湿性和低粘附特性,因此在防水、自清洁、水下滑移减阻、微流控制、微机电系统等领域具有广泛的应用价值。为此,本文研究了仿生超疏水表面的制备、疏水稳定性及其在沸腾制冷中的应用,主要工作如下：（1）在湿法刻蚀和超声空化的基础上,提出了超声刻蚀法来制备微纳米分级结构,并以几种钢铁为例,成功地构建出了具有分级粗糙度的仿生超疏水表面。与常规湿法刻蚀相比,超声刻蚀的化学刻蚀作用因与空化作用耦合而得到强化和改变,能够有效地腐蚀晶界和亚晶界,因此能够在固体表面构建出独特的微、纳米分级结构。（2）建立了柱状阵列结构的超疏水界面单元模型,通过将界面中的液-气部分规范为具有自适应性的弯月面,从力学和热力学的角度对Cassie界面的稳定性进行了分析。结果表明,Cassie状态下的界面力学稳定性主要由固体的表面自由能、粗糙结构的三相接触线密度决定,并受到固相面积分数和微结构几何形状的影响。压力驱动Cassie状态由基态向高能态转变的过程中,界面能量的升高会形成弯月面能量势垒,这一界面能量势垒决定了Cassie状态的热力学稳定性。选用低表面能物质、构造分级结构、细化微结构尺寸、选择倒梯形微凸起结... 

【文章来源】：西北工业大学陕西省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：147 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景和意义
        1.1.1 仿生学
        1.1.2 生物超疏水材料
    1.2 超疏水性理论与研究现状
        1.2.1 超疏水性的定义
        1.2.2 杨氏接触角
        1.2.3 多相和粗糙表面的接触角
        1.2.4 接触角滞后
        1.2.5 Cassie和Wenzel方程的局限性
    1.3 超疏水表面的制备
    1.4 超疏水表面的疏水稳定性
        1.4.1 超疏水状态
        1.4.2 Cassie界面
        1.4.3 Cassie-Wenzel润湿过渡
        1.4.4 分级结构的疏水稳定性
    1.5 超疏水性的研究方法
    1.6 超疏水表面的应用
    1.7 现有研究的不足
    1.8 本文的研究工作
第二章 超声刻蚀法制备超疏水表面
    2.1 引言
    2.2 理论基础
        2.2.1 空化与气蚀作用
        2.2.2 湿法刻蚀
        2.2.3 表面低能修饰
    2.3 试验部分
        2.3.1 试剂与仪器
        2.3.2 表面粗糙化处理
        2.3.3 表面低能化修饰处理
        2.3.4 试样的测试与表征
    2.4 结果与讨论
        2.4.1 微观形貌与超疏水性
        2.4.2 超声法刻蚀形貌的分析
        2.4.3 超声刻蚀的影响因素
        2.4.4 疏水、超疏水性的分析
    2.5 本章小结
第三章 Cassie状态下超疏水界面的力学与热力学稳定性
    3.1 引言
    3.2 Cassie状态的物理学基础
        3.2.1 氢键与水分子团簇
        3.2.2 分子尺度下的超疏水状态
    3.3 Cassie界面的力学稳定性
        3.3.1 疏水纤维外周的毛细作用力
        3.3.2 Cassie界面的毛细作力学模型
        3.3.3 微结构几何形貌的影响
    3.4 Cassie界面的热力学稳定性
        3.4.1 理论模型
        3.4.2 分级结构的弯月面能量势垒
    3.5 结果与讨论
        3.5.1 压力作用下Cassie状态的界面自由能
        3.5.2 Cassie状态下超疏水界面的稳定性
    3.6 本章小结
第四章 超疏水界而的润湿行为与稳定性测试
    4.1 引言
    4.2 理论基础
        4.2.1 超疏水界面的反射特性
        4.2.2 自组织临界性(SOC)
    4.3 试验部分
        4.3.1 材料
        4.3.2 试验设备与方法
    4.4 结果与讨论
        4.4.1 超疏水界面处的压力等效原理
        4.4.2 试验结果
        4.4.3 理论值与误差分析
        4.4.4 Cassie-Wenzel润湿过渡的自组织临界性
    4.5 本章小结
第五章 Cassie-Wenzel润湿转变中的界面能量势垒
    5.1 引言
    5.2 理论与模型
        5.2.1 压力驱动下的Cassie-Wenzel润湿过渡
        5.2.2 Cassie-Wenzel润湿过渡中的界面能量势垒
    5.3 分级结构下的能量势垒
    5.4 能量势垒的特性
        5.4.1 弯月面能量势垒的可逆行
        5.4.2 毛细能量势垒的方向性和耗散性
        5.4.3 气相能量势垒的复杂性
    5.5 本章小结
第六章 超疏水界面的空化作用与气体富集
    6.1 引言
    6.2 理论基础
        6.2.1 纳米气泡中的气体来源与分离
        6.2.2 真空作用下气泡存在的稳定条件
    6.3 试验部分
        6.3.1 试验材料
        6.3.2 超疏水界面反应的试验观察
    6.4 结果与讨论
        6.4.1 超疏水界面的空化与气体富集
        6.4.2 超疏水界面的气泡生长动力学
        6.4.3 超疏水界面的饱和蒸汽压
        6.4.4 超疏水界面的等效分散度
    6.5 基于超疏水界面效应的空气加湿方法
    6.6 本章小结
第七章 真空氛围下超疏水界面的沸腾与制冷效应
    7.1 引言
    7.2 理论基础
        7.2.1 液体沸腾的条件
        7.2.2 Leidenfrost现象与超疏水现象
    7.3 试验部分
        7.3.1 试验材料
        7.3.2 真空氛围下超疏水界面的沸腾
        7.3.3 真空氛围下超疏水界面的沸腾制冷
    7.4 结果与讨论
        7.4.1 疏水、超疏水界面的沸腾
        7.4.2 疏水、超疏水界面的沸腾制冷
    7.5 真空沸腾制冷的物理模型
    7.6 基于超亲水、超疏水表面的沸腾制冷方案
    7.7 本章小结
第八章 论文总结与研究展望
    8.1 全文总结
        8.1.1 论文的主要内容
        8.1.2 论文的创新点
    8.2 论文的不足与研究展望
        8.2.1 论文的不足
        8.2.2 研究展望
参考文献
附录 水的饱和蒸汽压表
攻读博士学位期间的科研成果
攻读博士期间参与的科研项目
致谢


【参考文献】：
期刊论文
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[3]超疏水性材料表面的制备、应用和相关理论研究的新进展[J]. 范治平,魏增江,田冬,肖成龙,孙晓玲,陈承来,刘伟良.  高分子通报. 2010(11)
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[10]固液界面纳米气泡的研究进展[J]. 张雪花,胡钧.  化学进展. 2004(05)



本文编号：3484964