超疏水生物水面超大承載機制及其仿生研究.pdf

1、潤濕性是固體表面的一個重要特征，潤濕性可用表面水滴的接觸角表征，超疏水是指固體表面上水滴的接觸角超過150°的特殊現(xiàn)象。荷葉、水黽等生物經(jīng)過億萬年進化，其體表的超疏水性使其具備許多“優(yōu)異功能”。已有研究表明，可通過改變固體表面化學(xué)成份與微觀形貌制備超疏水表面，進而仿生超疏水生物的優(yōu)異功能。
　　具有超疏水表面的漂浮體可以有效利用表面張力，在水面產(chǎn)生水渦，增大排水量，從而提高其水面承載力。漂浮體的最大承載力與其表面接觸角、截面形狀、

2、幾何尺寸等因素密切相關(guān)，其中表面接觸角是主要因素。
　　通過接觸角測量儀對水黽、水蚊子與水蜘蛛3種節(jié)肢動物潤濕性能測定，發(fā)現(xiàn)它們?nèi)沓食杷?應(yīng)用掃描電鏡觀察水黽、水蚊子與水蜘蛛體表各部的微觀結(jié)構(gòu)，認為其表面微納米結(jié)構(gòu)是其具有超疏水性的主要原因，其表面的脂質(zhì)層對其超疏水功能具有重要輔助作用。自行設(shè)計與制作了水面微力測量裝置，在活體與離體狀態(tài)下，測定了水黽、水蚊子與水蜘蛛腿在水面的最大承載力，活體水黽與水蜘蛛的最大承載系數(shù)分別為2

3、3.6與24.8;通過力學(xué)分析，建立了水黽、水蚊子與水蜘蛛柔性腿的承載力模型，并算得其不同腿的最大承載力，理論計算值與實測值的最大誤差率分別為3.9％、3.8％與6.5％。
　　同樣，對5種典型疏水植物葉表潤濕性進行測定，荷葉、美人蕉葉、青楊樹葉、葡萄葉與南瓜葉的接觸角分別為150.6°、135.5°、110.4°、101.3°、94.8°;觀察了荷葉等試驗植物葉表的微觀結(jié)構(gòu)，得到了與水黽等動物相同的疏水機理。把荷葉等分別用雙面膠

4、粘貼到不同尺寸的長方體小盒上，作為試驗?zāi)Ｐ?，測得各模型在水面的最大承載力。分析試驗數(shù)據(jù)得出兩點結(jié)論，一是疏水表面接觸角越大，承載力越大;二是浮力與表面張力在承載力中的貢獻度與植物葉模型的幾何尺寸密切相關(guān)，模型幾何尺寸越大，浮力對承載力貢獻度越大，表面張力對承載力貢獻度越小;反之，模型幾何尺寸越小，浮力對承載力貢獻度越小，表面張力對承載力貢獻度越大。
　　以銅為材料制作了2個仿生漂浮模型，銅表面經(jīng)超疏水加工后，接觸角為154°。仿生

5、漂浮模型Ⅰ有4條支撐腿，支撐腿用直徑為0.45mm的實心銅絲制作，測得最大水面承載力為28.5mN，最大承載系數(shù)為8.1。仿生漂浮模型Ⅱ有2條支撐腿，支撐腿仿水黽腿部的空心結(jié)構(gòu)，為銅片制作的空心薄壁管結(jié)構(gòu)，測得最大水面承載力為73.1mN，最大承載系數(shù)為9.8;假定在橫截面積相等時，橫截面形狀設(shè)計為等邊三角形、圓形、橢圓形與正方形，等邊三角形橫截面的承載力最大，其次為橢圓(λ=1.5)，再次為圓，最后為正方形與橢圓（λ=0.8）。