超疏水表面自清洁效应的表面力学分析

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荷叶出淤泥而不染,水黾能在水面自由运动,这些自然现象都跟超疏水有关。超疏水表面近年来引起了广泛的关注。研究表明,二元微纳结构的存在是表面实现超疏水的根本原因。超疏水表面特殊的浸润性,使其在很多方面有广泛的应用,包括自清洁、防腐蚀、油水分离等方面。研究发现,粗糙的表面结构和较低的表面自由能是制备超疏水表面的必要条件。在此基础上人们发展了很多制备超疏水表面的方法,例如,刻蚀法、溶胶-凝胶法等。截止目前,超疏水表面实现自清洁的过程,包括颗粒与液滴相互作用的力学分析,自清洁的实现与颗粒质量的关系,还没有相关的研究。本文首先对超疏水表面和普通表面的黏附力进行了测量,其次对微颗粒与液滴的相互作用进行了力学分析,找出了超疏水表面实现自清洁的原因,讨论了自清洁的实现与颗粒质量的关系,最后运用力学分析结果对颗粒在超疏水表面实现自清洁的临界半径进行了理论计算,并在新鲜荷叶表面进行了验证。我们发现理论计算和实验验证能够较好的符合。通过实验及计算,我们得到了以下几点结论:1.利用AFM胶体探针技术,测量了Si02微球在超疏水表面和普通表面的黏附力。发现超疏水表面的黏附力远小于普通亲水和疏水表面;2.揭示了超疏水表面实现自清洁的力学机理;3.基于上述力学机理,发现了超疏水表面实现自清洁与颗粒的质量的关系,不同质量的颗粒实现自清洁的方式不同;4.对自清洁临界颗粒半径进行了理论预测和实验验证,发现理论与实验结果能很好的吻合。
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