【摘 要】
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疏水性表面因具有自清洁、抗粘附等特殊润湿性能,被广泛应用于生物医疗、清洁能源、军事国防等领域。然而,目前疏水性表面在制备上仍面临着工艺复杂耗时、成本高、不环保等缺点。因此,本文以简单高效、成本低的微纳增材技术制备出疏水表面为研究目标,研究打印工艺参数、后固化时长等对打印质量的影响机制,从而优化成型质量。同时,基于疏水理论设计并制备疏水表面,开展接触角测量实验,研究结构参数对疏水性的影响规律。本文的
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疏水性表面因具有自清洁、抗粘附等特殊润湿性能,被广泛应用于生物医疗、清洁能源、军事国防等领域。然而,目前疏水性表面在制备上仍面临着工艺复杂耗时、成本高、不环保等缺点。因此,本文以简单高效、成本低的微纳增材技术制备出疏水表面为研究目标,研究打印工艺参数、后固化时长等对打印质量的影响机制,从而优化成型质量。同时,基于疏水理论设计并制备疏水表面,开展接触角测量实验,研究结构参数对疏水性的影响规律。本文的主要研究内容如下:首先,对装备的系统构成和增材成型机理进行阐述。使用环境扫描电子显微镜(ESEM)对零件进行EDS能谱测试,分析零件的元素构成。将成型工艺进程划分为前期准备、打印成型、后处理三个阶段,根据微结构成型中遇到的质量问题,分析影响增材成型质量的因素。并开展单因素试验,分析后固化时长对零件硬度、粗糙度的影响规律。结果表明:材料成分中C占71.3%,O占24.11%,N占4.59%。后固化最佳时间应为5-10 min,此时Ra约为29 nm,邵氏硬度在87.9 HD左右。然后,开展微纳增材成型工艺参数优化。通过设计正交试验,打印模型并进行显微形貌表征。采用极差分析、多指标分析方法对微圆柱、微圆锥结构分别进行质量分析和工艺参数的优化。结果表明:工艺参数对成型质量影响的大小顺序均为:曝光时间>打印层厚>振动次数。工艺参数优化后的可成型直径30μm,高400μm的圆柱结构以及圆锥角5°,顶部直径2.876μm的圆锥结构。结合增材成型的特点,基于疏水原理分别设计变参数的圆柱、方柱、圆锥、棱锥结构并打印成型。通过对比分析确定最佳成型几何结构为圆柱、圆锥结构。柱体高度与直径之比应小于8,锥体的锥角应小于12°。为研究微结构几何形状、阵列间距、直径参数变化对疏水效果的影响规律,基于Young、Wenzel、Cassie-Baxter方程等疏水理论,设计变参数的阵列结构并打印制备。最后,开展增材成型制件的疏水性分析研究。为减小测量误差,对测量方法、液滴体积、测试环境等进行分析,分析后,测量方法应优先选用量高法,液滴的体积应在2.5-7μl之间。将制件在氟硅烷溶液中浸泡降低表面能后开展接触角实验。实验结果表明:圆柱直径100、50、30μm构成的阵列结构最大静态接触角分别为139.6°、142.9°、143.6°。圆锥阵列结构的最大静态接触角为157.1°,滚动角为3.5°。随着阵列间距的增加,静态接触角均为先增后降的变化趋势。圆柱直径的减小有利于提高疏水效果,圆锥结构的疏水效果优于圆柱结构。实验有效验证了基于SLA的微纳增材技术用于制备疏水、超疏水表面微纳结构的可行性。
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