基于熱力學(xué)分析的超疏水表面幾何優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、具有較大接觸角和較小接觸角滯后的超疏水表面由于具有理想的液滴脫落或滾動(dòng)性質(zhì),在過(guò)去二十年里吸引了強(qiáng)烈的學(xué)術(shù)研究。這種具有獨(dú)特潤(rùn)濕性質(zhì)的表面在微流體、生物芯片、衛(wèi)星天線防塵、電纜防冰等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。研究發(fā)現(xiàn)固體表面的疏水性取決于其表面的化學(xué)組成和表面微觀幾何結(jié)構(gòu),然而低的表面化學(xué)能提高表面的疏水性是有限的,而微觀幾何表面結(jié)構(gòu)對(duì)超疏水性特別是靜態(tài)接觸角的貢獻(xiàn)是巨大的,因?yàn)槲⒂^幾何表面大大提高了粗糙比。由于接觸角滯后現(xiàn)象的存在使得粗

2、糙表面接觸角與潤(rùn)濕的關(guān)系變的復(fù)雜,其物理機(jī)制及它和表面潤(rùn)濕性的關(guān)系至今還不是很清楚。此外,對(duì)于一個(gè)由液固氣三相組成的潤(rùn)濕系統(tǒng),受外部環(huán)境變化影響嚴(yán)重(如振動(dòng)能),因此理論上研究超疏水性特別是計(jì)算接觸角尤其是接觸角滯后,進(jìn)而建立它們與各種表面微結(jié)構(gòu)的關(guān)系非常重要。本文創(chuàng)新之處在于通過(guò)運(yùn)用超疏水熱力學(xué)模型,建立了自由能和接觸角以及自由能壘和接觸角滯后的關(guān)系,系統(tǒng)地分析了微結(jié)構(gòu)幾何表面、本征接觸角與表面潤(rùn)濕性尤其是與接觸角滯后的直接聯(lián)系。主要

3、研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.通過(guò)梯形微結(jié)構(gòu)表面的熱力學(xué)分析,討論了幾何參數(shù)對(duì)靜態(tài)接觸角、接觸角滯后以及潤(rùn)濕轉(zhuǎn)換的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有高和底角同時(shí)達(dá)到臨界值時(shí)才能實(shí)現(xiàn)非復(fù)合和復(fù)合態(tài)的潤(rùn)濕轉(zhuǎn)換,進(jìn)而形成穩(wěn)定的復(fù)合態(tài)超疏水表面。隨著上底的減小,靜態(tài)接觸角增大和接觸角滯后減小,當(dāng)上底趨于零時(shí),前進(jìn)角等于后退角等于靜態(tài)接觸角,接觸角滯后為零,特別的復(fù)合態(tài)的靜態(tài)接觸角高達(dá)176°,此類微結(jié)構(gòu)表面(鋸齒結(jié)構(gòu))具有完美的超疏水性能。當(dāng)基底間距的取值趨于

4、零時(shí),復(fù)合態(tài)的靜態(tài)接觸角從θc=151°降到θc=138.6°。
　　2.通過(guò)分析本征接觸角對(duì)超疏水表面的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)親水表面(θγ=80°)比疏水Y80表面(θγ=120°)更加不穩(wěn)定。對(duì)于親水表面,非復(fù)合態(tài)比復(fù)合態(tài)更加穩(wěn)定,而且沒(méi)有潤(rùn)濕轉(zhuǎn)換;然而對(duì)于疏水表面復(fù)合態(tài)比非復(fù)合態(tài)更加穩(wěn)定,而且存在潤(rùn)濕轉(zhuǎn)換。
　　3.通過(guò)分析自由能壘對(duì)接觸角滯后的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)于低本征接觸角表面(親水表面)存在負(fù)的自由能壘,如果潤(rùn)濕系統(tǒng)從外