特殊润湿性表面液滴动态过程的模拟及实验研究
浸润性是固体表面的一项固有属性，由材料本身的表面自由能和微观几何结构共同决定。随着仿生学的发展，研究者们通过模仿自然界的生物表面结构，人工制备了多种具有特殊润湿性能的材料，从而实现流体动态过程的控制，进而实现强化传热的作用。目前对于特殊润湿性表面的研究主要基于实验方法，对微流体动态过程缺乏数值模拟及理论指导。并且已有的制备方法过程较复杂，需借助精密仪器完成，致使实验成本较高、普适性较差。本文通过简单的实验方法制备了两种特殊润湿性表面，并采用数值模拟和实验相结合的方法探究了特殊润湿表面液滴的动态过程及润湿特性。 首先引入格子Boltzmann方法，建立了液滴在润湿梯度表面的流动模型。基于该模型探究了液滴在不同楔形顶角表面的流动规律。结果表明，液滴的初速度和加速度与楔形顶角大小（ψ）成正比，而流动距离与顶角大小成反比。对于ψ=15°的梯度表面，流动距离为16.05mm，初速度约为390mm/s；而对于ψ=35°的梯度表面，流动距离为11.25mm，初始速度约为630mm/s。 其次，实验制备了楔形润湿梯度表面，通过研究液滴的动态过程，验证了模型的准确性。结果表明，在t<0.2s的初始阶段模拟与实验的位移偏差较大。随着顶角的增大，位移偏差逐渐减小，对于ψ>=28°的润湿梯度表面，模拟与实验结果吻合较好，误差可以控制在10％以内。 最后，通过简单易行且成本较低的制备方法获得了“粘性”超疏水表面，并实现了微流体的无损疏运。结果表明，采用化学镀方法在铜基板表面沉积银颗粒，并经表面修饰可获得具有微-纳双尺度结构的超疏水表面。比较不同沉积时间，发现滞后角大小与沉积时间成反比。沉积时间较短的样品表面具有“粘性”超疏水特性，可以解决微流体系统中无损输运的难题。例如，沉积时间15s时制备的样品表面，静态接触角为154.8°，滞后角为45.1°。利用该表面能够将3.5μL的液滴从滞后角较小的“光滑”超疏水表面转运到亲水表面。
润湿性表面;制备工艺;液滴;动态过程;数值模拟
华中科技大学
硕士
工程热物理
罗小兵
2017
中文
TB34
67
2018-08-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）