結(jié)構(gòu)表面上的水滴形態(tài)和潤濕態(tài)在蒸發(fā)過程中轉(zhuǎn)變的機理研究.pdf

1、蒸發(fā)是一種常見的自然現(xiàn)象，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中均普遍存在。超疏水表面對含有固體顆粒的水滴的蒸發(fā)具有預濃縮的作用，在生化檢測等方面有廣泛的應用前景。因此，水滴在超疏水表面上的蒸發(fā)過程引起廣泛的興趣和關(guān)注。目前，雖然有大量關(guān)于超疏水表面上水滴蒸發(fā)過程的實驗研究，但是關(guān)于蒸發(fā)過程中水滴形態(tài)和潤濕態(tài)轉(zhuǎn)變的機理尚不清晰。本文通過分析水滴蒸發(fā)過程中界面自由能的變化所帶來的三相線(Thethree phase contact line，TPCL)移

2、動推動力及相應的阻力，建立了描述水滴在超疏水表面上蒸發(fā)過程中形態(tài)和潤濕態(tài)轉(zhuǎn)變的物理和數(shù)學模型，用定量的計算結(jié)果解釋了水滴蒸發(fā)整個過程的機理。
　　首先，通過實驗觀察水滴在親水、疏水和超疏水表面上蒸發(fā)過程中三相線和接觸角的變化規(guī)律，進而建立了水滴蒸發(fā)過程中三相線和接觸角變化的數(shù)學模型來解釋這些實驗現(xiàn)象。模型計算結(jié)果表明，當推動力小于阻力時，三相線不發(fā)生移動，接觸角不斷減小，水滴以恒定接觸線(Constant contact line

3、，CCL)模式蒸發(fā)。當推動力大于阻力時，三相線開始收縮，接觸角保持不變，進入恒定接觸角模式蒸發(fā)(Constant contact angle，CCA)。
　　然后，建立了結(jié)構(gòu)表面上復合態(tài)水滴界面自由能(Interface free energy，IFE)的一般表達式，并依據(jù)自由能最小原理，確定了亞穩(wěn)態(tài)復合水滴的形狀參數(shù)。結(jié)果表明，復合態(tài)水滴底部每根微米柱側(cè)面上的氣液界面都是彎曲的，彎曲程度隨結(jié)構(gòu)參數(shù)而變，彎液面與柱側(cè)面的夾角完全由

4、柱壁面的本征接觸角確定。采用水滴底部對柱側(cè)面完全潤濕、及能壘兩種判斷的計算結(jié)果表明，Cassie態(tài)水滴可以在柱間距足夠大、或者水滴體積足夠小的條件下向Wenel態(tài)轉(zhuǎn)變，但是Wenzel水滴向復合態(tài)的轉(zhuǎn)變則由于過程能壘永遠為正值而無法自發(fā)完成。
　　接著基于以上水滴能量及其梯度的分析，對水滴通過觸發(fā)途徑完成Cassie態(tài)向Wenzel轉(zhuǎn)變(Cassie-Wenzel，C-W)的機理進行分析。提出水滴界面自由能梯度（Interface

5、free energy gradient，IFEG）是C-W轉(zhuǎn)變的推動力的概念。推導了過程的推動力或轉(zhuǎn)變壓力和阻力以及水滴底部氣液界面彎曲參數(shù)的表達式，建立了C-W轉(zhuǎn)變的物理和數(shù)學模型。計算結(jié)果表明微/納米結(jié)構(gòu)參數(shù)對C-W轉(zhuǎn)變的推動力和阻力都有明顯的影響，結(jié)構(gòu)直徑和結(jié)構(gòu)間距越小，C-W轉(zhuǎn)變的壓力越小，阻力越大，因此C-W轉(zhuǎn)變越難完成;柱結(jié)構(gòu)越低越容易完成C-W轉(zhuǎn)變;水滴的體積越小越容易轉(zhuǎn)變成Wenzel態(tài)。此外，材料的本征接觸角和前進角

6、越大越不利于水滴C-W轉(zhuǎn)變。
　　進而依據(jù)水滴潤濕態(tài)自發(fā)轉(zhuǎn)變過程中其界面自由能總是自高向低變化這一基本原理，將水滴通過觸底機理完成C-W轉(zhuǎn)變的過程分為不同的階段，分析了各階段中結(jié)構(gòu)表面上小水滴底部彎液面前端觸底之后水滴的界面自由能及其變化，以及觸底潤濕過程的潤濕阻力，從而建立了結(jié)構(gòu)表面上水滴通過觸底機理完成C-W轉(zhuǎn)變的物理和數(shù)學模型。模型計算結(jié)果表明微/納米結(jié)構(gòu)參數(shù)對水滴能否完成C-W轉(zhuǎn)變的影響非常大。
　　最后，建立了描述