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[学位]

飞秒激光调控材料表面润湿性

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Author:

雍佳乐 (雍佳乐.)

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学位论文库

Abstract:

自然界经过数十亿年的进化,许多动植物材料表面表现出形态各异的特殊润湿现象,如荷叶的超疏水性及自清洁特性,玫瑰花瓣极高的水粘滞性,水稻叶的各向异性浸润及滚动,蝴蝶翅膀的方向性粘滞,鱼鳞的水下超疏油及抗油特性等。这些特殊的润湿性表面在防水、防油、抗冰冻、防锈、减阻、芯片实验室、细胞工程、微流控、液滴操作、油水分离等领域均有着十分重要的应用。研究表明,润湿性主要由固体表面的化学组成和微观几何形貌共同决定。仿照自然界中的这些特殊润湿表面,多种微加工工艺被用来构建各种人造润湿性的表面。然而,目前常用的润湿性表面调控技术仍存在较多限制与不足,如操作过程复杂、成本过高、限定于某些材料、难于对不同材料表面润湿性进行复杂而精细地调控,等等。飞秒激光微加工作为一种新型的微纳制造技术近年来发展迅速,并逐渐成为一种调控材料表面润湿性新的有力工具。本文根据飞秒激光微加工的技术特点并结合大量的实验和理论研究,提出了一种飞秒激光直接构造微米/纳米复合粗糙结构的制备方法,基于该方法先后在不同类型材料体系(半导体、聚合物、金属、电介质等)上设计、构建出不同微纳特征的粗糙微结构、微图案及阵列,并实现了多种功能的特殊润湿性表面,包括超疏水、水下超疏油、可控粘滞性、各向异性润湿、智能可控润湿性等,对发展特殊浸润性功能表面的应用具有重要指导意义。
论文的主要研究内容如下:
1. 利用飞秒激光逐行扫描构建微米/纳米两级粗糙结构方法。在本征亲水的Si表面和本征疏水的PDMS表面上实现了超疏水性和极低粘滞性。水滴接触角分别达到158°和157°,滚动角分别为4°和1°。并通过对比实验澄清了薄片状超疏水小船大负载能力主要得益于上表面边缘处的超疏水性。
2. 首次成功利用飞秒激光仿生构建了水下超疏油表面。粗糙微山阵列状的Si表面浸入水中时,二氯乙烷油滴的油接触角为159.4°,而油滚动角仅为0.5°;利用飞秒激光在石英玻璃表面上诱导出纳米粗糙表面结构,该表面在水下不但具有超疏油性,而且表现出高的透明度,可见光范围内透光率大于90%。此外,基于水下超疏油微图案结构,设计实现了一种无蒸发缺陷液滴透镜阵列。?
3. 利用飞秒激光在多种材料上实现了可控粘滞性,在研究中发现了几种调控粘滞性的新机制和方法:包括微气囊效应、疏水/超疏水图案结构、调节接触状态等。在这些制备出的表面上,粘滞力可以从极低调控到极高。这种可调粘滞性表面可用于对液滴、流体进行微操纵,如可控液滴反弹、液滴快速定位、微液滴无损转移等。
4. 利用飞秒激光逐行扫描方法,在PDMS表面上制备了一种平行微沟槽阵列结构,该结构仿照了水稻叶表面,具有类似的各向异性浸润和各向异性滚动特性。沿平行和垂直微沟槽方向,水滴接触角差异最大达到18.3°,滚动角最大差异45°。利用同样的研究思路进而实现了水下各向异性油浸润性。另外,通过超疏水/普通疏水的三角形阵列图案的设计和飞秒激光微加工,获得了与蝴蝶翅膀类似的方向性粘滞性。
5. 利用飞秒激光在金属钛和锌材料表面分别实现了智能可控润湿性。发现飞秒激光烧蚀Ti和Zn的过程中会同时发生粗糙微结构形成和被氧化两种现象,制备出的粗糙TiO2层显示出智能可调润湿性。通过交替的UV照射和黑暗存储,所制表面可以在超疏水—超亲水,水下超亲油—水下超疏油之间多次反复可逆转换。另一方面,利用所制备出的水下超疏油表面结合水溶液浓度调节,首次实现了水下油滴的无损输运。

Keyword:

超疏水 仿生制造 飞秒激光 润湿性 水下超疏油

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  • [ 1 ] 西安交通大学电子与信息工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学博士

Mentor: 陈烽

Year: 2016

Language: Chinese

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30 Days PV: 17

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