仿生水汽冷凝-收集微納復(fù)合結(jié)構(gòu)制備研究.pdf

1、水汽冷凝與收集技術(shù)在緩解干旱地區(qū)缺水問題、提高能源利用效率以及航天和軍事用途中扮演著重要角色。傳統(tǒng)膜狀冷凝和滴狀冷凝技術(shù)發(fā)展迅速并已應(yīng)用到實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)，但其冷凝性能和持久性仍難以滿足需求。近年來(lái)許多生活在沙漠地區(qū)的生物引起了人們濃烈興趣。研究發(fā)現(xiàn)，它們具有特殊表面微納結(jié)構(gòu)，能有效收集霧氣中水分加以利用。本學(xué)位論文借鑒典型生物結(jié)構(gòu)，開展仿生水汽冷凝/收集微納復(fù)合結(jié)構(gòu)制備研究，主要工作包括：
　?。?）仿生微納復(fù)合結(jié)構(gòu)水汽冷凝/收集理

2、論研究。根據(jù)仙人掌刺結(jié)構(gòu)建立了錐形表面環(huán)狀液滴和蚌殼狀液滴理論模型，得到了仿生結(jié)構(gòu)表面自由能分布和表面能梯度分布，揭示了錐形結(jié)構(gòu)參數(shù)與表面自由能及自由能梯度之間的關(guān)系。進(jìn)一步對(duì)錐形及楔形管狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部的液滴進(jìn)行了建模分析，揭示了管狀梯度結(jié)構(gòu)內(nèi)部液滴運(yùn)動(dòng)規(guī)律。結(jié)合生物結(jié)構(gòu)梯度形貌和可制造性，設(shè)計(jì)了由交替親水和疏水楔形區(qū)域構(gòu)成的平面梯度結(jié)構(gòu)，分析了結(jié)構(gòu)形貌參數(shù)、表面浸潤(rùn)性參數(shù)對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)的影響，揭示了液滴在仿生結(jié)構(gòu)表面的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3、和制備提供理論基礎(chǔ)。
　?。?）仿生水汽冷凝/收集微納結(jié)構(gòu)制備。研究了表面浸潤(rùn)性修飾結(jié)構(gòu)的制備，得到了 OTS分子層、氧化銅/氫氧化銅納米線、硅納米線/納米錐，以及硅微管米陣列等多種具有優(yōu)異浸潤(rùn)特性的微納米結(jié)構(gòu)表面；制備了銅微錐結(jié)構(gòu)和PDMS微錐陣列結(jié)構(gòu)，以及光刻膠/SiO2、Si/SiO2和OTS/SiO2構(gòu)成的楔形陣列、星形、樹形等平面梯度結(jié)構(gòu)；根據(jù)結(jié)構(gòu)表面材料特性和工藝兼容性選擇了合適的表面浸潤(rùn)性修飾工藝，在仿仙人掌刺結(jié)構(gòu)表

4、面制備了納米結(jié)構(gòu)或涂層結(jié)構(gòu)，得到了仿生水汽冷凝與收集微納復(fù)合結(jié)構(gòu)。
　?。?）仿生水汽冷凝/收集微納復(fù)合結(jié)構(gòu)性能測(cè)試。搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了仿生結(jié)構(gòu)的水汽冷凝特性測(cè)試，驗(yàn)證了仿仙人掌刺結(jié)構(gòu)的定向收集液滴能力，發(fā)現(xiàn)親水微錐結(jié)構(gòu)比疏水微錐結(jié)構(gòu)具有更高的水汽冷凝和收集效率；得到了微錐結(jié)構(gòu)半錐角的優(yōu)化值，小于該值液滴所受驅(qū)動(dòng)力較小會(huì)影響水汽冷凝與收集性能。研究了平面梯度結(jié)構(gòu)表面液滴的定向移動(dòng)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了冷凝液滴自動(dòng)收集；揭示了平面梯度結(jié)構(gòu)