论文部分内容阅读
疏水表面因具有自清洁、减阻和抗磨性能,给人们生产生活带来极大便利,为人类发展创造极大动力。微米结构,纳米结构组成的多阶结构和低表面能材料共同作用使得材料表面有疏水性。随着微加工机理的研究,车削,铣削加工精度的提高,铣削刀具尺寸的逐渐缩小,用微切削方法加工出微米尺寸微结构研究其疏水性成为可能。表面接触角是表征疏水性能的重要技术指标。为了研究微米尺寸微结构对水滴在其表面接触角的影响,以Young氏方程,Wenzel方程及Cassie-Baxter方程为基础,建立了二维情况下基于最小吉布斯自由能的接触角预测模型,用微铣削的方法加工出微结构,并通过理论分析与切削试验和接触角测试相结合的方法探究微结构尺寸参数对接触角的影响规律。首先,在光滑表面Young氏方程和粗糙表面Cassie-Baxter方程的基础上,建立了二维情况下基于最小吉布斯自由能的接触角预测模型,并且考虑斜壁对气-液接触线的影响对预测模型进行了修正。利用接触角预测模型及其修正研究微结构材料和尺寸参数对接触角的影响和疏水性微结构设计。研究结果表明,疏水性基底相对于亲水性基底加工出的微结构有更大的接触角提升趋势。增大微结构间隙宽度,减小凸台宽度,减小微结构斜壁角度,有利于接触角的提升。其次,设计了直壁沟槽、方柱阵列、斜壁沟槽和斜壁阵列四种类型的微结构,通过微铣削方法加工出设计的微结构,并测量水滴在微结构表面的接触角。最后,采用理论分析与试验结合的方法研究不同几何尺寸参数的直壁沟槽、方柱阵列、斜壁沟槽和斜壁阵列四种类型的微结构对水滴在其表面接触角的影响。研究结果表明,沟槽与方柱阵列微结构可以使水滴在其表面的接触角增大,接触角随着微结构间距增加而增大,随着凸台(方柱)宽度增大而减小。直壁沟槽微结构上水滴在垂直于沟槽方向和平行于沟槽方向的接触角有差异并且相互影响；水滴在直壁沟槽微结构有着更稳定的接触角变化,而在方柱阵列微结构表面有更大的接触角,并且更接近球状。相对于直壁结构,斜壁结构的存在虽然会增加水滴在微结构表面的接触角,但是增大了水滴在微结构表面的不稳定性,水滴更容易进入微结构内部呈现出Wenzel状态。此外,斜壁的存在使得微结构尺寸参数对接触角的影响减小。