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在固、液动态相互作用中,“绕流”是很重要的一种类型。它是指当固体和连续流体之间存在相对运动时,流体的运动具有依附于固体表面的趋势,从而使其运动方向在固体的弯曲面或边缘处沿着固体的表面发生弯折的情况。固体表面处的液体绕流现象虽然在以往的科学研究中偶有提及,但并没有得到充分的重视。例如,使用茶壶倒水时,往往会有部分液流沿着壶嘴的边缘流下,回到壶身的侧壁进而滴落在桌面上;走在雨天的路面上,泥水会沿着鞋底边缘向上绕流并迸溅到鞋面和裤腿上。此外,绕流现象在大到消防水枪的水柱喷射、小到微流体芯片这些应用中都普遍存在。因此,深入理解绕流现象的规律,特别是固体表面浸润性对它的影响,对于这些应用领域可能带来重要的影响。 在早期的绕流相关研究中,研究者们认为固-液粘附作用以及固体表面的浸润性不是影响绕流状态的关键因素。因此,绕流的调控手段主要侧重于边缘处的曲率半径以及液流本身的速度。现在看来,人们早期对于表面浸润性在绕流中扮演的角色认识不足,可能是受到当时材料科技发展所限。因为具有超亲水、超疏水等极端浸润特性的表面材料,只是在进入21世纪来才得以广泛发展和应用的。本论文将从超浸润表面材料制备、调控技术的开发、原理探索等多个层次对绕流现象的调控进行研究,获得对于绕流现象的深入理解,通过材料的微纳米结构、浸润性等途径实现对于绕流现象的精确调控。具体工作如下: 1.提出了一种利用具有超疏水性的针头边缘限制静态绕流的方法。通过简单的蘸涂的方法可以在传统的针头表面制备具有超疏水性的针头。不同于传统针头需要缩小整体尺寸而获得更小体积液滴的方法,从具有超疏水性的针头内部挤出液体的位置被限制在了超疏水针头的内径处,通过多次蘸涂可以有效的减小针头的内径,从而减小挤出液滴的体积。利用超疏水针头可以在不施加任何附加驱动的作用下得到从微升到皮升级别的小水滴。超疏水针头控制液滴在针头表面静态绕流的方法除了能够获得准静态的,体积精准的小液滴,还能够增加液体的转移精确度,降低液体在针头表面的残留。这项工作能够促进众多领域的应用和发展:如液体输送、微流控、生物检测等。 2.通过对流体在固体边缘的绕流现象的系统研究,综合考察了固体表面浸润性,表面微、纳米结构的精确调控,固体边缘的宏观结构,液流的速度等多项因素对绕流的影响。证实了超浸润性能够在宽广的流速范围下控制流体在多种具有不同几何结构的固体边缘上的绕流行为,其中,超疏水表面可以强烈地抑制绕流行为,而超亲水表面能够增强绕流行为。在这一部分,提出了流体和固体边缘动态相互作用的机理,并发明了几种方法来制备具有超浸润性的固体的边缘。通过使用简单的喷涂手段能够有效的制备具有防止泥水迸溅的超疏水鞋底和超亲水轮胎。这两种应用无论在理想的实验环境下还是在苛刻使用中都具有良好的效果。 3.研究了具有浸润性边界的固体的边缘对流体的绕流和分离过程的控制。通过使用简单的方法调控固体表面的化学组成和表面的微观结构实现了流体在固体边缘的绕流和分离行为的操纵。不光流体与固体的分离位置可以通过浸润性边界的位置进行控制,流体与固体表面的分离角度也可以通过协同调节浸润性边界的位置以及流体的流速来实现。