柔性多級(jí)屈曲結(jié)構(gòu)表面潤濕特性的機(jī)械調(diào)控研究.pdf

1、日常生活中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)由于表層和內(nèi)部彈性性質(zhì)不同導(dǎo)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(shí)際就是屈曲結(jié)構(gòu)。近年來，隨著仿生制備技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)可以人工制備柔性屈曲結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在調(diào)控表面潤濕性方面引起了研究者的廣泛關(guān)注。本文首先從熱力學(xué)角度出發(fā)，理論分析一級(jí)屈曲結(jié)構(gòu)、多級(jí)屈曲結(jié)構(gòu)表面的潤濕狀態(tài)以及潤濕穩(wěn)定性，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。然后利用屈曲結(jié)構(gòu)尺寸可靈活調(diào)控的特性，將屈曲結(jié)構(gòu)和潤濕梯度相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)液滴的定向移動(dòng)，并可

2、以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加靈活的調(diào)控其鋪展長度。本文的主要研究結(jié)果和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　(1)利用熱力學(xué)方法推導(dǎo)了液滴在一級(jí)屈曲結(jié)構(gòu)表面兩種潤濕狀態(tài)的接觸角預(yù)測方程。詳細(xì)分析了屈曲微結(jié)構(gòu)表面液滴浸潤的轉(zhuǎn)型過程以及其勢壘變化的趨勢。通過屈曲微結(jié)構(gòu)尺寸與預(yù)應(yīng)變的理論預(yù)報(bào)關(guān)系公式推導(dǎo)出表觀接觸角與拉伸預(yù)應(yīng)變的方程，建立起接觸角與屈曲制備參數(shù)的關(guān)系。通過機(jī)械預(yù)拉伸的方法實(shí)驗(yàn)制備出屈曲結(jié)構(gòu)表面，表觀接觸角的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算吻合。通過原位機(jī)械加載的方

3、法實(shí)現(xiàn)了對(duì)屈曲結(jié)構(gòu)表面潤濕特性的靈活調(diào)控。
　　(2)研究了液滴在多級(jí)屈曲結(jié)構(gòu)表面所有的潤濕狀態(tài)，利用熱力學(xué)理論推導(dǎo)出了相應(yīng)的表觀接觸角方程，詳細(xì)的分析了條結(jié)構(gòu)尺寸和屈曲結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)潤濕狀態(tài)的影響。分析了液滴在潤濕轉(zhuǎn)型過程中自由能的變化以及轉(zhuǎn)型所需克服的能量勢壘。最后，通過實(shí)驗(yàn)制備出多級(jí)屈曲結(jié)構(gòu)對(duì)理論計(jì)算進(jìn)行了驗(yàn)證，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果相吻合。
　　(3)利用屈曲結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的方向上制備出化學(xué)潤濕梯度。由于屈曲結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)控靈活的特性，還可以通過調(diào)節(jié)屈曲結(jié)構(gòu)的尺寸，實(shí)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(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)梯度和化學(xué)梯度復(fù)合的潤濕梯度表面的液滴定向鋪展。對(duì)于僅具有結(jié)構(gòu)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(xué)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(jié)構(gòu)梯度和化學(xué)梯度的結(jié)合，使得接觸角變化范圍進(jìn)一