仿生水汽冷凝-收集微納復合結構制備研究.pdf

1、水汽冷凝與收集技術在緩解干旱地區(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發(fā)展迅速并已應用到實際工業(yè)生產，但其冷凝性能和持久性仍難以滿足需求。近年來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構，能有效收集霧氣中水分加以利用。本學位論文借鑒典型生物結構，開展仿生水汽冷凝/收集微納復合結構制備研究，主要工作包括：
　?。?）仿生微納復合結構水汽冷凝/收集理

2、論研究。根據仙人掌刺結構建立了錐形表面環(huán)狀液滴和蚌殼狀液滴理論模型，得到了仿生結構表面自由能分布和表面能梯度分布，揭示了錐形結構參數(shù)與表面自由能及自由能梯度之間的關系。進一步對錐形及楔形管狀結構內部的液滴進行了建模分析，揭示了管狀梯度結構內部液滴運動規(guī)律。結合生物結構梯度形貌和可制造性，設計了由交替親水和疏水楔形區(qū)域構成的平面梯度結構，分析了結構形貌參數(shù)、表面浸潤性參數(shù)對液滴運動的影響，揭示了液滴在仿生結構表面的運動規(guī)律，為仿生結構設計

3、和制備提供理論基礎。
　?。?）仿生水汽冷凝/收集微納結構制備。研究了表面浸潤性修飾結構的制備，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)異浸潤特性的微納米結構表面；制備了銅微錐結構和PDMS微錐陣列結構，以及光刻膠/SiO2、Si/SiO2和OTS/SiO2構成的楔形陣列、星形、樹形等平面梯度結構；根據結構表面材料特性和工藝兼容性選擇了合適的表面浸潤性修飾工藝，在仿仙人掌刺結構表

4、面制備了納米結構或涂層結構，得到了仿生水汽冷凝與收集微納復合結構。
　?。?）仿生水汽冷凝/收集微納復合結構性能測試。搭建了試驗平臺，進行了仿生結構的水汽冷凝特性測試，驗證了仿仙人掌刺結構的定向收集液滴能力，發(fā)現(xiàn)親水微錐結構比疏水微錐結構具有更高的水汽冷凝和收集效率；得到了微錐結構半錐角的優(yōu)化值，小于該值液滴所受驅動力較小會影響水汽冷凝與收集性能。研究了平面梯度結構表面液滴的定向移動過程，實現(xiàn)了冷凝液滴自動收集；揭示了平面梯度結構