【摘 要】
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现代农业工程中的设施园艺作为高效益的集约化生产方式,在世界各国受到了广泛重视,尤其在我国得到了快速发展。基质栽培是设施园艺生产主要方式之一。栽培土壤、基质pH在线检测是实现栽培自动化智能化基础和关键之一。本文针对pH传感器表面及周围水溶液不足,难以在工作电极表面集聚形成足够的氢离子溶液,进而影响pH在线检测准确性的问题,综合国内外集水仿生表面研究现状,通过理论分析、微观模拟分析和试验研究相结合的方
【基金项目】
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国家自然科学基金项目(32071900):栽培基质氢离子浓度集成仿生传感机理与在线监测研究;
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现代农业工程中的设施园艺作为高效益的集约化生产方式,在世界各国受到了广泛重视,尤其在我国得到了快速发展。基质栽培是设施园艺生产主要方式之一。栽培土壤、基质pH在线检测是实现栽培自动化智能化基础和关键之一。本文针对pH传感器表面及周围水溶液不足,难以在工作电极表面集聚形成足够的氢离子溶液,进而影响pH在线检测准确性的问题,综合国内外集水仿生表面研究现状,通过理论分析、微观模拟分析和试验研究相结合的方法,研究液滴在微织构表面铺展和通过多孔表面渗透的过程和机理,揭示微织构表面三维形貌参数、多孔渗透表面孔径对表面集水性能的影响规律,设计并制备一种用于pH传感器的镍基合金微织构多孔仿生表面,提高其在栽培土壤、基质环境中的集水性能。主要研究内容及结论如下:(1)微织构多孔仿生表面水分收集机理及理论分析。针对栽培土壤、基质物理特性,以及pH传感器在线检测对水分收集要求,设计pH传感器周围水分收集总体方案,分析水分收集机理及其工作过程;对微织构表面润湿性和多孔表面液滴渗透性进行理论分析,依据二维表面粗糙度与表面润湿性的关联模型和三维表面形貌参数与三维表面粗糙度关联性,建立微织构表面润湿性数学模型;进一步对模型分析得到,微织构表面凹坑面积、凹坑深度和多孔表面的孔面积是影响微织构表面润湿性的主要因素,对于不对称的凹坑形状,液滴在微织构表面不同方向铺展过程中存在各向异性,多孔渗透表面中孔径和孔数量影响液滴渗透速度;依据Darcy定律、土壤基质颗粒直径分布与泥炭藓多孔渗透表面参数建立多孔表面渗透性模型,理论分析可知,孔径越大,液滴在多孔表面的渗透速度越快,但是当孔径增大的同时会影响微织构表面的润湿性能,因此需要根据Cassie-Baxter多孔表面函数关系,调整孔径与孔数量。(2)微织构多孔仿生表面水分收集行为及性能模拟研究。基于微织构仿生表面润湿性和多孔表面渗透性模型,通过Solid Works与flow-3d软件模拟液滴在微织构仿生表面铺展过程、多孔表面液滴渗透过程,模拟分析仿生表面润湿性、集水渗透性能及影响因素,分析结果表明:三维表面粗糙度相同,凹坑形状不同的微织构表面液滴铺展状态也不同,液滴在对角不对称的微织构表面上的铺展状态是各向异性的;随着凹坑面积和凹坑深度的增加,液滴铺展效果先提升后下降;当凹坑形状为矩形,凹坑面积0.0726mm~2,边长比为0.4,凹坑深度为0.28mm时微织构表面润湿性最好;多孔表面随着孔径的增加,液滴渗透性能单调增长,当孔直径为24um,液滴渗透速度最快,且微织构多孔仿生表面比单一多孔表面在同等条件下渗透性能更好。(3)微织构仿生表面制备及表面润湿性试验研究。基于皮秒激光加工方法,在镍基合金材料表面,制备不同表面形貌参数的微织构仿生表面,使用接触角测量仪对不同三维形貌参数的微织构仿生表面进行液滴铺展试验,结果表明:液滴在微织构仿生表面铺展状态随着液滴体积的增加,并不是单调增加或减少;根据液滴体积2.0ul下试验得到的数据,建立凹坑面积与微织构仿生表面接触角之和的函数关系,通过计算函数极小值,得到接触角之和最小的微织构凹坑面积为0.0718mm~2,矩形凹坑边长为0.169mm和0.424mm;当凹坑深度为0.281mm时,液滴铺展最充分。(4)微织构多孔仿生表面制备及液滴渗透收集性能试验研究。在镍基合金的光滑表面和微织构亲水表面,使用飞秒激光器分别加工微米级多孔,使用3D打印设备制备集水腔,用来储存收集的水分。将不同表面结构分别置于质量含水量为15%、25%和35%的蛭石、泥炭环境中,进行光滑多孔表面和微织构多孔仿生表面的液滴渗透、水分收集性能试验,使用超微量分析天平对集水腔收集的水量进行表征。试验结果表明:在纯蛭石环境中,集水仿生表面的集水效果最好;当环境中含水量越高时,集水速率越快;当孔径大小为26um时,集水速率最快,集水量最多。将孔径26um的集水仿生表面分别置入含水量15%的自然栽培土壤和含水量15%的栽培基质环境中,12h后的集水量分别为165.353ul和165.847ul。研究结果为制备加工微织构多孔集水仿生表面提供依据,对实现pH值在线检测提供技术基础,有助于促进现代农业自动化智能化栽培生产。
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