基于激光加工实现水下气泡动态操控的研究

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激光加工技术因具有精度高,耗时短等优点,近些年被广泛应用在精密钻孔,精密切割,微纳加工等领域。通过激光加工在材料表面构造理想的微结构,可以高效、精准地控制表面润湿性。本文以激光加工技术为基础,研究了一系列操控水下气泡的方法,为超高速气泡捕捉、定向气泡输送、收集和气液分离等领域的先进材料设计提供新的视角。全文内容主要包括以下几部分:(1)通过纳秒激光微钻孔制备了具有锥孔阵列的紫外光/热双响应锌箔,其上表面的微孔直径达到141μm,下表面微孔直径为60μm;一旦锥孔阵列锌箔被加热改性,其上表面将呈现超疏水性,而下表面仍保持亲水,这种具有非对称润湿性的材料形象地称为“双面神”。我们基于“双面神”锌箔的润湿梯度特性成功地捕获了水下气泡;随后,“双面神”锌箔被放在紫外LED下辐照10 h后,其上表面由超疏水恢复为亲水,我们利用这种双面亲水的锌箔驱赶水下气泡。基于锌箔的紫外光/热双响应特性,可以快速实现“双面神”锌箔与双面亲水锌箔的可逆切换,达到对水下气泡进行捕获或驱逐的目的。这种结合纳秒激光打孔和外部刺激的方法具有很多优点:1.纳秒激光加工技术不受材料的限制,它可根据控制系统中绘制的复杂图案进行精准加工,因此使用起来更加灵活;2.纳秒激光具有很高的加工效率(制备6x6 mm的锥孔阵列只需20 min);3.整个润湿改性过程中仅使用热量和紫外光作为外部刺激而无需额外的化学试剂,这将更加安全环保。(2)利用飞秒激光逐线扫描法在PDMS表面制备了仿水稻叶沟槽结构,并通过热旋涂工艺将固/液混合石蜡(SLMP)均匀旋涂在PDMS表面,随后这种固/液混合石蜡注入表面(SLMP-IS)被用于研究水下气泡的各向异性滑动。研究结果表明,飞秒激光脉冲功率和旋涂转速是影响表面各向异性的重要因素。通过定量分析,我们获得了最理想的SLMP-IS,它平行于沟槽的气泡滑动角(SA//)为20°,垂直于沟槽的气泡滑动角(SA)为90°,这种明显的各向异性使得气泡在45°倾斜表面也能够沿着沟槽定向滑动。此外,还开展了SLMP在水中的耐久性实验,结果表明,相对于传统的液态润滑剂,SLMP具有更加优异的稳定性和耐久性。
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