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表面多尺度微纳结构对超疏水特性的影响

作　者: 刘海华
导　师: 李文
学　校: 湘潭大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 超疏水 接触角 接触角滞后 自由能 自由能垒
分类号: O647
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


为了设计出理想的人造超疏水表面,国内外学者对自然界中超疏水表面进行了广泛的研究。研究表明,自然界中几乎所有的超疏水表面均是由本征梯度结构所构成,但是,多尺度梯度结构的几何参数是如何影响表面的润湿性能,其内在物理机制仍不清楚。特别是,多尺度梯度结构对超疏水表面作用在理论上的定量研究很缺乏。本文利用二维模型对不同重数粗糙尺度的结构表面进行热力学分析,分别对不同重数粗糙尺度的结构表面的复合态自由能和自由能垒进行了计算,同时定量地分析了不同重数粗糙尺度的结构、相对高度以及相对柱宽对平衡接触角、润湿转换以及自由能垒的影响。最后,计算了液滴在二重阶层粗糙微纳结构表面沿不同方向移动所对应的平衡接触角、前进接触角、后退接触角和接触角滞后,并且讨论了其润湿行为的各向异性以及振动能对其的影响。主要研究内容和结果如下:1.利用二维模型对不同重数粗糙尺度的结构表面进行热力学分析,结果表明:从不同放大程度的典型自由能垒曲线可以看到,多重粗糙尺度微结构表面的微米和纳米结构可以将大的自由能垒分裂成多个小的自由能垒,故可以降低液滴移动所需克服的自由能垒。对于非常小的液滴,第二级或第三级(即亚微结构或纳米结构)在抵挡其浸入粗糙微结构沟槽起着主导作用,这有助于提高超疏水复合润湿态的稳定性。2.以二重粗糙尺度微结构表面为例,进一步地讨论了相对柱高和相对柱宽对平衡接触角、润湿转换以及自由能垒的影响,计算结果表明:较大的相对柱高(大于0.75)可以形成更稳定的复合态,而较小的相对柱宽(小于1)能够带来更大的平衡接触角和较小的接触角滞后。3.研究了不同重数粗糙尺度的结构表面对平衡接触角和自由能垒的影响,结果表明:在微结构表面具有同一参数比的情况下,三重粗糙尺度微结构表面具有最大的平衡接触角和最小的后退能垒。4.讨论了二重粗糙尺度微结构表面润湿行为的各向异性以及振动能对其的影响。结果表明:复合润湿态下的平衡接触角具有各向同性,然而非复合润湿态下的平衡接触角具有明显的各向异性;增加外界振动能均可减少非复合和复合润湿态的接触角滞后,同时减少非复合润湿态接触角滞后的各向异性,但是会增加复合润湿态接触角滞后的各向异性。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 前言  9-23
  1.1 超疏水表面的定义及自然界中的超疏水表面  9-10
  1.2 超疏水表面的应用前景  10-11
  1.3 超疏水理论  11-16
    1.3.1 三大润湿理论  11-13
    1.3.2 复合润湿与非复合润湿的转换  13-15
    1.3.3 接触角滞后  15
    1.3.4 润湿的各向异性  15-16
  1.4 超疏水表面的结构设计  16-21
    1.4.1 不同结构的设计  16-18
    1.4.2 分形结构作用的解释和可能态的分析  18-21
  1.5 本文的选题依据和研究内容  21-23
第2章 热力学理论模型分析  23-28
  2.1 引言  23-24
  2.2 模型分析  24-27
    2.2.1 自由能和能垒的分析  25-27
    2.2.2 润湿转换的分析  27
  2.3 本章小结  27-28
第3章 微观结构对超疏水表面性能的影响  28-41
  3.1 引言  28
  3.2 热力学分析  28-32
    3.2.1 非复合态热力学分析结果  28-29
    3.2.2 复合态热力学分析结果  29
    3.2.3 典型自由能和能垒曲线  29-32
  3.3 多重阶层粗糙尺度对超疏水表面的影响  32-39
    3.3.1 多重阶层粗糙尺度对平衡接触角的影响  32-33
    3.3.2 多重阶层粗糙尺度对能垒的影响  33-34
    3.3.3 相对柱高对平衡接触角、润湿转换和能垒的影响  34-37
    3.3.4 相对柱宽对平衡接触角、润湿转换和能垒的影响  37-39
  3.4 本章小结  39-41
第4章 二重阶层粗糙微纳结构表面的润湿各向异性  41-48
  4.1 引言  41
  4.2 热力学分析  41-43
    4.2.1 非复合态分析  41-42
    4.2.2 复合态分析  42-43
  4.3 二重阶层粗糙微纳结构表面的平衡接触角的各向异性  43
  4.4 振动能对各向异性润湿的影响  43-46
  4.5 本章小结  46-48
第5章 总结与展望  48-50
  5.1 总结  48-49
  5.2 展望  49-50
参考文献  50-55
致谢  55-56
攻读硕士期间发表的论文  56

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中图分类: > 数理科学和化学 > 化学 > 物理化学（理论化学）、化学物理学 > 表面现象的物理化学
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