液固界面摩擦的定量表征与智能调控

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液固界面摩擦现象在自然界无处不在,如荷叶上水珠能自由滚动,鲨鱼能在海里快速游动等现象吸引了研究人员的高度关注。不同的液固界面摩擦可以显著影响材料表面的自清洁、黏附、抗结冰、减阻等功能,通过研究液固界面摩擦进行仿生减阻表面制备可以广泛应用于交通运输、军事能源等领域。尽管目前针对液固界面摩擦的相关研究已经取得长足的进展,但对于液固界面摩擦的定量表征与智能调控相关研究还有待进一步深入。本论文从液固界面摩擦的定量表征出发,首先建立了一种简单易行的摩擦力测试技术,用于测量液滴在高黏附表面的摩擦力,并结合该摩擦力测试技术制备得到一种可以智能调控摩擦力大小的仿海带自润滑表面,最后通过可以大面积制备的增材制造技术制备了具有优异减阻性能的仿鱼鳞结构低摩擦表面,未来有望在海洋国防与海洋经济建设中发挥重要作用。本论文主要研究内容如下:(1)液固界面摩擦现象十分常见,但针对高黏附表面传统的接触角和滚动角测量方法都存在较大的局限性。为了定量表征液固界面摩擦以及揭示液滴在固体表面运动的详细特征,建立了一种简单易行的摩擦力测试(MPCP)技术。通过具有不同周期的各向异性条纹结构样品对该技术进行了验证,传统的滚动角无法区分不同周期样品沿垂直条纹方向的润湿性,而该MPCP技术能够精确测量液滴在不同样品上沿各个方向运动的摩擦力,还能揭示出液滴运动过程中的详细特征(如静摩擦、动摩擦过程以及受结构影响的液滴粘跳行为)。该技术弥补了滚动角无法表征高黏附表面或者只能表征液滴滚落一瞬间固体对水滴的阻力的缺点,适用于光滑、粗糙和结构化的各种表面润湿性的定量测试,未来有望应用于表面工程,生物医学和微流体等多个领域。(2)传统的仿生智能表面大多只能实现液滴在固体表面黏附/滚动两种状态的切换,而对中间状态液固界面摩擦的变化少有研究,该MPCP技术的提出不仅可以定量表征液固界面摩擦力的大小,还可以为智能可控摩擦表面的制备提供可行的研究思路。自然界中的海带可以在海洋中随波逐流而自身不受损伤,受海带波浪起伏结构以及表面润滑特性启发,将PDMS和硅油均匀混合然后浇灌入微米条纹结构模板,通过机械拉伸-释放应力的方式制备得到一种具有波浪起伏结构的自润滑表面(USS)。USS具备稳定的自润滑性能,在外界刺激下表面硅油润滑层受损后一段时间又可以自发分泌。并且通过机械应力可以调控USS在波浪状各向同性结构与条纹状各向异性结构之间实现可逆转换,进而可以控制液滴在USS上摩擦力的大小。由于具备良好的自润滑性能以及智能可控的液固界面摩擦,该USS样品可以实现对液滴运动的控制以及抗冰减阻的功能。(3)对液固界面摩擦的定量表征与智能调控可以很好地指导仿生减阻结构的设计。受海水中海鲢和淡水中翘嘴鱼的鱼鳞共性结构启发,通过增材制造技术制备得到具有连续/非连续沟槽结构的四种仿鱼鳞样品。通过砝码牵引四种样品在水中运动,测试其在水中运动时的平均速度。具备连续沟槽的凹角结构运动速度最快,相比平面样品其运动速度可以提升约29%。改变四种结构的高度,随高度增加四种样品的运动速度先增大后减小,在高度为0.6 mm时速度达到最大。
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