柔性多級屈曲結構表面潤濕特性的機械調(diào)控研究.pdf

1、日常生活中經(jīng)常會出現(xiàn)由于表層和內(nèi)部彈性性質(zhì)不同導致的表面失穩(wěn)，形成高低起伏的形貌，如瓜果的表皮、皺紋等，這實際就是屈曲結構。近年來，隨著仿生制備技術的發(fā)展，已經(jīng)可以人工制備柔性屈曲結構，這種結構在調(diào)控表面潤濕性方面引起了研究者的廣泛關注。本文首先從熱力學角度出發(fā)，理論分析一級屈曲結構、多級屈曲結構表面的潤濕狀態(tài)以及潤濕穩(wěn)定性，并與實驗結果進行對比。然后利用屈曲結構尺寸可靈活調(diào)控的特性，將屈曲結構和潤濕梯度相結合，實現(xiàn)液滴的定向移動，并可

2、以通過結構設計更加靈活的調(diào)控其鋪展長度。本文的主要研究結果和創(chuàng)新點如下:
　　(1)利用熱力學方法推導了液滴在一級屈曲結構表面兩種潤濕狀態(tài)的接觸角預測方程。詳細分析了屈曲微結構表面液滴浸潤的轉型過程以及其勢壘變化的趨勢。通過屈曲微結構尺寸與預應變的理論預報關系公式推導出表觀接觸角與拉伸預應變的方程，建立起接觸角與屈曲制備參數(shù)的關系。通過機械預拉伸的方法實驗制備出屈曲結構表面，表觀接觸角的實驗結果與理論計算吻合。通過原位機械加載的方

3、法實現(xiàn)了對屈曲結構表面潤濕特性的靈活調(diào)控。
　　(2)研究了液滴在多級屈曲結構表面所有的潤濕狀態(tài)，利用熱力學理論推導出了相應的表觀接觸角方程，詳細的分析了條結構尺寸和屈曲結構尺寸對潤濕狀態(tài)的影響。分析了液滴在潤濕轉型過程中自由能的變化以及轉型所需克服的能量勢壘。最后，通過實驗制備出多級屈曲結構對理論計算進行了驗證，且實驗結果與理論結果相吻合。
　　(3)利用屈曲結構表面的各向異性潤濕性來改善潤濕梯度表面液滴的定向鋪展長度。通

4、過等離子刻蝕的方法在平行于屈曲結構的方向上制備出化學潤濕梯度。由于屈曲結構尺寸調(diào)控靈活的特性，還可以通過調(diào)節(jié)屈曲結構的尺寸，實現(xiàn)在相同的潤濕梯度下，改變液滴定向鋪展的效果。
　　(4)研究了具有屈曲結構的結構梯度和化學梯度復合的潤濕梯度表面的液滴定向鋪展。對于僅具有結構潤濕梯度的疏水表面，液滴接觸角的變化范圍較小;而僅有化學潤濕梯度的表面，其范圍也只能從疏水到親水或者疏水到超親水。將結構梯度和化學梯度的結合，使得接觸角變化范圍進一