IMECH-IR  > 非线性力学国家重点实验室
仿生微柱阵列表面黏附/浸润效应调控机理研究
Alternative TitleStudy on the mechanism of tunable adhesion and wettability of biomimic micro-pillar arrayed surfaces
李兴济
Thesis Advisor陈少华
2019-05-26
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral北京
Subtype博士
Degree Discipline固体力学
Keyword仿生微柱阵列表面,表面黏附效应 表面浸润效应 方向性黏附 自发除湿
Abstract

自然界生物经过亿万年的演化和进化将结构和功能协同互补,形成了多种特异表面功能,例如,壁虎脚掌的可逆黏附功能、荷叶表面的超疏水自清洁性能,沙漠甲壳虫鞘翅的集水功能,蝴蝶翅膀表面的定向排水功能等,为人类科技发展提供了众多创新灵感。各类表面功能效应最大的共同特征是表面宏观物理现象是多尺度微观响应的综合表现,与表面多层次精美结构及不同尺度的微观物理机制密切相关。仿生自然界生物特殊的表面功能效应,揭示各种表面效应与多尺度微纳结构及材料力学行为的关联,可以实现多种仿生表面功能调控,对设计和制备智能化和功能化表面具有重要的指导意义,在军事和民用领域均具有重要的应用前景。本文仿生自然界生物表面一类特殊的表面黏附和浸润效应,建立了不同微柱阵列表面与基底或水滴接触的理论模型,考虑了力场和磁场作用下微柱形状、尺寸、分布方式等因素对表面黏附和浸润性能的影响,揭示多场作用下调控界面黏附及浸润性能的力学机理。主要研究内容及成果如下:

首先,建立了非对称弹性楔形阵列表面与刚性基底黏附接触的二维理论模型,利用最小势能原理,分析了单根非对称楔形体的几何形状、载荷方式等对界面黏附性能的影响,解析得到了不同载荷形式下楔形体变形形状及界面黏附长度的变化规律。结果表明:当载荷大小一定时,顺楔形体倾斜方向的界面黏附长度明显大于逆方向的黏附长度,并且顺逆方向的黏附长度均随着楔形体楔角的增大而减小。由于界面黏附强度与实际黏附长度(面积)相关,使非对称楔形体界面黏附具有方向相关性,并且随着楔形体倾斜角的增大,可以进一步提高界面方向性黏附的鲁棒性。

理论研究了微磁颗粒掺杂的微柱阵列表面在磁场作用下界面黏附性能,建立了无量纲磁场强度决定的微柱非线性变形挠曲方程,得到了微柱弯曲的几何形貌与磁场强度的定量关系;利用界面L-J相互作用势,得到了变形后微柱阵列表面与基底间的黏附力。研究发现:随磁场强度增强,微柱弯曲变形增加,界面黏附力减小,合理解释了实验发现的外界磁场调控界面黏附性能的现象。进一步分析了微柱阵列分布形式、几何形状等因素对界面黏附性能的影响,发现呈正方形分布的微柱阵列具有最优的界面黏附调控性能,揭示了壁虎刚毛阵列呈正方形分布的物理机制。

建立了液滴在倾斜微柱阵列表面的二维浸润理论模型,根据微柱倾角和液滴在微柱表面的本征接触角对三相移动接触线位置的影响,得到四种不同的浸润状态,与数值结果一致。进一步研究了三相移动接触线对前进接触角、后退接触角以及接触角滞后的影响,发现液滴在倾斜微柱阵列表面的接触角滞后在顺和逆微柱倾斜方向显著不同,体现了接触角滞后的各向异性,并且随着微柱宽度增大和微柱间距减小增强了接触角滞后的各向异性,为设计液滴定向输运的功能化表面提供了理论基础。

最后,开展了疏水微柱阵列表面自发除湿机理及其影响因素研究。理论得到了凝结液滴在具有任意形状的微柱阵列表面形成WenzelCassie-Baxter两种浸润状态的能量差值,发现存在一临界体积,当液滴体积大于该临界值时,Wenzel状态将自发转变为Cassie-Baxter状态,即微柱阵列表面发生自发除湿。进一步考虑了微柱形状、几何尺寸及本征接触角对自发除湿性能的影响,比较了矩形、锥形及抛物线形三种不同形状的微柱阵列表面的自发除湿性能。研究表明:当微柱形状一定时,较小的微柱间隔及较大的本征接触角更易实现自发除湿;当微柱几何尺寸不变时,较小接触角下矩形微柱阵列更容易发生自发除湿,较大接触角下抛物线形微柱阵列具有最优的表面除湿性能。理论结果合理解释了自然界荷叶和蚊子复眼表面在潮湿环境下特殊的浸润现象。

Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/78942
Collection非线性力学国家重点实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
李兴济. 仿生微柱阵列表面黏附/浸润效应调控机理研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2019.
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