二氧化硅改性后超疏水性质的粒径效应研究

本文采用水热法对不同粒径的SiO_2进行改性,获得了低表面能的超疏水材料。研究了粒径对超疏水性能的影响,并通过傅立叶变换红外光谱仪、场发射扫描电子显微镜、X射线衍射和接触角测量仪对材料的表面形貌和润湿性进行了分析。结果表明:改性后的SiO_2疏水性增强。而且粒径越小,材料表面越粗糙,疏水性越强。纳米级SiO_2改性后疏水性远高于微米级SiO_2,其静态接触角可达到158.0°±5.4°,滚动角小于2°。超疏水材料具有广阔应用前景。     

光引发活性ATRP聚合制备纳米二氧化硅超疏水表面

利用3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH-550)和2-溴代异丁酰溴(BIB)对纳米二氧化硅进行改性制备了原子转移自由基聚合(ATRP)纳米活性中心,采用紫外光引发丙烯酸十二氟庚酯活性聚合接枝在纳米二氧化硅表面并沉积在玻璃基材表面制备了超疏水表面。通过热失重分析纳米活性中心的接枝率,采用水接触角研究了纳米活性中心含量和光聚合时间对超疏水性能的影响。结果表明:随着纳米二氧化硅活性中心浓度增加,工艺稳定性变好,但光聚合沉积形成超疏水表面所需的时间要长。纳米二氧化硅活性中心浓度为3.63μmol/g为最佳,经40 min光引发活性聚合后,二氧化硅表面含氟聚合物的接枝率达到34.12%,接触角达到164°,表面微纳结构致密。     

表面微纳结构对气-水界面稳定性和流动减阻的影响

利用压力-流量测量和流动显示方法研究了6种具有不同微纳结构尺寸的超疏水表面的减阻效果以及表面微结构形状对气-水界面稳定性的影响。实验结果表明:设计的各种超疏水表面在层流和湍流下均具有一定的减阻效果；在相同的固体面积分数情况下，微结构间距越小，减阻效果越好；在具有最小结构间距的微纳二级结构表面上实现了最大减阻率（38.6±4.5）%。流动显示观测发现:减阻率与微结构的层级、尺寸、形貌及槽道流态有关，它们均对气-水界面稳定性有一定的影响，揭示了复合微纳结构之所以能够显著提升减阻效果，是由于添加纳米二级结构减小了原有表面的固体面积分数，并提高了气-水界面的稳定性。此外，对于具有双内凹（伞状）微结构表面的微槽道，即使表面为亲水材料，也可以有效捕捉气体，形成稳定的气-水界面，从而实现超疏水性能。     

不同微结构超疏水表面的光热防除冰特性（英文）

超疏水光热防除冰表面作为一种新兴的防除冰手段，在防除冰领域具有巨大的应用潜能。本研究通过数值模拟和物理实验相结合的手段研究了不同微结构超疏水表面的光热防除冰特性。基于有限元模拟，得到了纳米颗粒的粒径、种类、体积分数、涂层厚度及微纳复合结构表面的结构参数对表面光热转化效率和升温效果的影响。另外，考虑了微柱和微锥两种微纳复合结构，数值结果表明微纳复合结构具有更好的光热特性，微锥结构的光热特性最好。同时，详细讨论了微结构尺寸参数，如特征尺度和高宽比，对表面吸收率与光热转化效率的影响。光照升温和融冰试验结果表明制备的超疏水光热表面能够实现高效的光热转化和防除冰功能，最优结构的表面在一个太阳光照条件下的温升可以达到45℃。本研究的研究工作可以为防除冰材料的优化设计提供参考。     

纳米SiO_2/氟碳杂化透明疏水耐磨涂层的制备及其性能研究

通过低温微波法制备了纳米二氧化硅(SiO_2)粒子,对其进行表面疏水化改性后,引入双键官能团处理,制备了一种高透明、耐磨性好且疏水的纳米SiO_2/氟碳杂化涂料。采用XRD、TEM、FTIR等手段对纳米SiO_2粒子进行了表征,并研究了改性纳米SiO_2的用量对杂化涂层的透明性、耐磨性、疏水性、强度、硬度以及耐沾污性的影响。结果表明:改性纳米SiO_2的含量对杂化涂层的透明性影响很小,杂化涂层具有较好的附着力、硬度、耐磨性、疏水性和耐沾污性,改性纳米SiO_2的最佳用量为5%。     

硬质合金润湿图案化表面的超快无泵水自输运特性研究（英文）

提出了一种在硬质合金表面制备可以实现水自输送的润湿图案化表面的方法,即激光加工法,该方法可以不需要在基底表面上沉积材料。该润湿图案化表面包含楔形超亲液沟槽以及外围的超疏液表面,借助该图案化表面,液滴可以实现快速自输送。通过单因素试验发现,导致硬质合金表面极端润湿的关键因素是激光加工过程中产生的微纳织构,且微纳织构的形成受激光加工参数的影响。与此同时,通过单因素试验找到了微纳织构产生的合理激光加工参数。最后,通过水滴运输实验发现,当超亲液的楔形槽楔角是3°时,该润湿图案化表面对水的运输速度能够达到362 mm/s。还分析了水在该表面上的运输机制,发现水的自驱动运输是由图案化表面引起的水滴自身拉普拉斯压力梯度控制的。     

氧化锌/葵花籽油超疏水表面的制备及性能研究

通过简单的热处理在铁片表面形成均匀的纳米氧化锌超疏水涂层。涂层由改性后的无机纳米粒子和葵花籽油在高温下交联而成,该涂层在铁和腐蚀性物质之间形成屏障,为铁提供腐蚀防护。探讨了葵花籽油与超疏水纳米粒子的比例对涂层润湿性和附着力的影响。研究证实:油与超疏水纳米粒子的质量比为0.9∶1时,该涂层的性能在润湿性、稳定性和耐腐蚀方面达到了相对均衡的水平,涂层的水接触角为158.1°±2.3°,滚动角为5.1°±0.5°,经过长时间的超声、磨损以及静态和动态盐水腐蚀处理都能保持良好的疏水效果。这项工作表明,从可持续和可再生资源开发环保、无毒的微纳米级超疏水防腐涂料具有广阔的前景,是一种简单有效的金属防腐方法。     

超疏水表面减阻水洞实验及减阻机理研究

针对超疏水表面功能材料在流动减阻方面的潜在应用,通过水洞实验研究了具有超疏水表面航行器模型的阻力特性,获得了其减阻特性曲线,并得到了超过20%的减阻效果.对超疏水表面进行了表面能特性和滑移特性分析,认为表面组分中的疏水基团和表面微观结构分别导致了超疏水表面的低表面能效应和壁面滑移效应,两者是超疏水表面具有减阻作用的直接原因.     

PDMS在使用软光刻技术制作微透镜阵列的转印效果分析

以微透镜阵列为例,分析了在软光刻技术中使用PDMS复制微结构的有效性。首先介绍了制作光刻胶微透镜阵列,使用软光刻技术通过两次转印制作PDMS凹微透镜阵列和凸SU-8微透镜阵列工艺流程;接着叙述了使用金相显微镜和白光干涉轮廓仪对微透镜阵列样品的表面轮廓进行测量的结果,并对样品不同尺寸、不同材料的微透镜阵列样品的测量值以及这些测量值与设计值之间差异进行了分析。分析结果表明,使用PDMS转印光刻胶上的微结构以及将PDMS薄膜作为模板把微结构转印到SU-8表面均是可行的、有效的。     

超疏水旋转圆盘气膜层减阻的实验研究

在冯卡门旋流中,对均匀超疏水表面与网纹超疏水表面在雷诺数Re~O（105）量级上的减阻性能与表面气膜状态进行了实验观测。2种超疏水表面均使用物理喷涂法在有机玻璃板上喷涂纳米疏水颗粒制备。网纹超疏水表面制备时增加了丝网掩模的步骤,因此其表面增加了毫米级网格纹理。实验结果表明:对于冯卡门旋流中的超疏水表面减阻而言,存在一个临界雷诺数Re_c,当Re < Re_c时,超疏水表面具有稳定的减阻效果,减阻率高达30%;当Re>Re_c时,减阻效果随Re的增加快速丧失。相较均匀超疏水表面,网纹超疏水表面可以有效提高其表面附着的气膜层的动态稳定性。此外,可通过主动补气的方式有效恢复网纹超疏水表面气膜层,进而恢复减阻效果,这将为超疏水表面实现可持续的减阻提供新的技术方案。     

三角和六角对称ZnO分支纳米结构及其光学特性研究

采用简单的热蒸发法可控制备三角和六角对称Zn O纳米结构。借助于X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)和透射电子显微镜(TEM)对样品的微结构进行表征和分析。研究结果证实:三角和六角对称Zn O分支纳米结构的主干沿[0001]方向生长;三角对称Zn O的分枝沿[21 10]、[1210]和[1 120]晶向,而六角对称的分枝沿[0001]晶向;基于电镜表征和晶体表面能分析,提出了Zn O纳米结构的形成机制。利用紫外可见光吸收光谱(UV-vis)和光致发光谱(PL)研究了2种Zn O分支纳米结构的光学特性。位于3.23 e V(三角)和3.24 e V(六角)的PL发射峰为Zn O的带边发射,与Zn O体材料相比出现明显的红移。     

纳米ZnO的制备及红外发射率研究

以草酸、醋酸锌和无水乙醇为原料，采用溶胶-凝胶方法合成了干凝胶前驱体，并以其热重-差熟分析(TG—DTA)为依据，在一定温度煅烧研磨获得纳米ZnO粉体，经X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)分析表明实验终产物为纤锌矿结构的纳米ZnO，平均粒径约20nm。XRD分析结果还表明纳米ZnO中存在一定的晶格畸变现象。利用IR-1红外发射率测量仪测量了纳米ZnO粉体及其经不同温度热处理后样品在8～14μm波段的平均发射率，初步探索了纳米材料作为隐身材料的应用前景。发射率测试结果表明纳米ZnO的发射率比微米ZnO的发射率大，并且随着热处理温度的增加，发射率单调下降并逐渐趋近于微米ZnO。文中结合XRD分析结果，对上述现象给出了一定的解释。     

水滴撞击冻结过程的数值模拟研究（英文）

利用发展起来的数值算法模拟了微尺度水滴在冷表面上的撞击冻结过程，采用格子玻尔兹曼通量求解器计算流场，应用相场方法追踪水气界面，基于焓模型确定冰水界面。通过与实验对比水滴在表面上撞击冻结过程中的外形，验证了数值方法的准确性与可靠性。本文研究水滴动态冻结过程时考虑了水滴尺度、撞击速度及冷板温度3个因素的影响。结果表明，水滴底部冻结限制了水滴在表面上铺展后的弹跳过程，可能形成帽子状的形态。水滴撞击速度增加，冰层在水滴径向上发展更快，水滴与表面间的传热增强。另外，温度控制着水滴中心的动力学过程，当表面温度更低，水滴可能会在中心出形成凹坑。通过对水滴内部温度分布情况分析可知，热流密度随着离冷表面距离的增加而降低。随着结冰增长，水滴轴线上逐渐降低的温度与冷表面温度呈非线性关系，表面温度越低，由于温差增加，冰层内部的无量纲温度变得越低。     

微纳米尺度流动实验研究的问题与进展

微纳米实验流体力学研究的流动特征尺度在1mm~1nm范围,处于宏观流动到分子运动的过渡区。连续介质力学与量子力学这两个经典理论的衔接,提出了诸如连续性假设适用性、边界滑移等基本理论问题。同时从微纳米尺度研究界面处液/固/气的耦合,化学、电学性质对流动的影响值得关注。微纳米实验测量仪器融入了力、电等测量手段,要求测量空间精度达到nm量级,力的测量精度达到pN,时间分辨率达到ns。本文围绕连续性假设适用性、边界滑移、微纳米粒子布朗运动及微尺度涡旋测量等问题,介绍了 Micro/Nano PIV、示踪粒子流场显示等技术应用于微纳流场观测的进展与难点。目前微纳米流动测量仍然沿着经典流体力学测量“小型化”的思路开展,而纳尺度的测量期待着新的实验方法与技术的提出。     

基于AFM胶体探针测量液固界面DLVO力及表面电势

表面电势是微纳流控芯片中流体流动的重要参数。本文介绍了基于AFM胶体探针技术测量液固界面DLVO力并进一步测量表面电势及表面电荷密度的方法。本文改进了胶体探针制作的技术手段，并提出用双探针法测量胶体探针的弹性系数。在0.1~1mM浓度范围内的NaCl溶液中，测量了硅、二氧化硅和氮化硅液固界面双电层内的DLVO力及表面电势。实验结果表明胶体探针技术可以很好地测量液固界面的DLVO力，尤其对静电力指数变化段非常敏感。通过DLVO力曲线可以间接测量表面电势、表面电荷密度等重要参数，是微纳流动及界面属性测量的有效手段。此外，在不同硅基材料表面的测量结果显示了硅烷醇基密度对表面电势起主导作用，可以通过选用不同硅烷醇基密度的材料来有效调控表面电势，从而在硅基材料制作的微流控芯片中调控电动流动的强弱。     

UV固化环氧大豆油/纳米SiO2复合涂层制备及性能研究

采用γ-巯丙基三甲氧基硅烷(KH-590)对纳米SiO2表面进行接枝改性,用傅里叶红外光谱法(FT-IR)对其结构进行表征;将改性纳米SiO2与环氧大豆油丙烯酸酯(AESO)和乙烯基醚改性环氧大豆油丙烯酸聚氨酯(VASO)按不同比例复合制备光固化纳米复合涂层。结果表明:巯基纳米SiO2的加入显著提高了丙烯酸双键的转化率,并且随着改性纳米SiO2含量的增加漆膜硬度增加,且漆膜耐水性和耐磨性能均有明显改善。     

仿秦岭箭竹叶微纳结构疏冰蒙皮（英文）

飞机结冰极大威胁飞行安全，严重时导致机毁人亡。适应恶劣寒冷环境的飞机防除冰技术是国际难题，也是中国多型飞机研制必须突破的重大技术瓶颈。本文首次提出一种仿生疏冰雪对象——秦岭箭竹，建立仿秦岭箭竹叶多层不等高微纳结构，揭示了这种独特结构对过冷微小水滴形成弹跳，滚动成冰及滑落的疏冰机制；提出一种基于分层组装的柔性大幅面微纳结构制备方法，实现仿秦岭箭竹叶疏冰结构制备；获得的仿秦岭箭竹叶疏冰表面相较于同材料光滑表面冰粘附强度降低80%，表明秦岭箭竹叶微纳结构具有优异的疏冰效果。结合实际工程应用，研制基于功率密度分区的仿生与电热相结合的疏冰复合蒙皮，据此获得的疏冰复合蒙皮成功完成中小型无人机防除冰功能飞行，并且已成功列装某型号高原型无人机，满足了高寒条件下的有效防除冰飞行要求。仿秦岭箭竹叶疏冰蒙皮也在大型运输机、直升机，以及风力发电、高速列车等领域具有广阔的应用前景。     

纳米TiO2／聚氨酯复合涂层的制备及其耐盐水浸泡性能

本文利用硅烷偶联剂对纳米TiO2进行表面改性,并将改性和未改性的纳米TiO2按不同比例添加到聚氨酯涂料中,制备了纳米TiO2/聚氨酯复合涂层,实验结果表明,经硅烷偶联剂改性后的纳米TiO2在涂料中分散良好,粒径在100 nm左右.改性后的纳米TiO2能够有效提高涂层的耐盐水浸泡性能.当改性纳米TiO2添加量为3%时,涂层的耐盐水浸泡性能最好.该涂层在经过56天的盐水浸泡后,铅笔硬度从3H下降到HB,附着力从1级下降到3级,光泽度从120.9下降到99.6,耐冲击性能从22 N·cm下降到12 N·cm,在所有试样中下降程度最低.     

超疏水表面对湍流边界层相干结构影响的TRPIV实验研究

湍流边界层中的相干结构是壁面摩擦阻力的主要来源。通过研究超疏水壁面对相干结构的影响，揭示其减阻机理。利用高时间分辨率粒子图像测速技术（TRPIV），分别对流速为0.165m/s的亲水壁面和超疏水壁面平板湍流边界层进行测量，得到了2种壁面瞬时速度矢量场的大样本时间序列。通过对比分析2种壁面的平均速度剖面和湍流度，得到了5.39%的减阻效果。通过二维空间两点相关函数的方法定义并提取相干结构，对比得到超疏水壁面能够有效减小相干结构流向尺度的结论。进一步采用λ_ci准则对发卡涡头进行识别，并以此为条件事件对其周围的脉动速度分布情况进行线性随机估计。结果表明:超疏水壁面能够有效削弱单个发卡涡头的强度，并且能够影响其周围发卡涡包结构的组织形式，整体减弱涡包下方近壁区低速流体质点的流向脉动，从而有效减小壁面摩擦阻力。     

渗氮处理对TC4钛合金性能的影响

为了在钛合金螺纹表面形成完整的膜层，提高材料耐磨性能，采用金相形貌分析、硬度和强度分析等手段研究了TC4钛合金渗氮过程参数对微观结构及性能的影响。试验结果表明，随着渗氮温度从700℃升至850℃，材料抗拉强度从1 026 MPa降低至930 MPa；延伸率随着温度升高而逐渐增高；表面硬度从529 HV上升至826 HV，相比于渗氮前280 HV，硬度有大幅度的提高；而保温时间从8 h增加至20 h，对材料的硬度和形貌影响较小，按照此工艺可以在钛合金零件表面形成完整的膜层；钛合金硬度的提高主要是因为表面形成了由Ti₂N和α-Ti组成的渗氮改性层表面。