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飞秒激光制备水滴/气泡单向传输复合结构膜的方法研究

2020-12-08阅读(138)

飞秒激光制备水滴/气泡单向传输复合结构膜的方法研究

论文摘要

自然界中的物种经过亿万年的进化与选择,为了适应环境的变化,它们会进化成具有特殊润湿性的微纳米结构界面。因此,通过制备微纳米结构形成特定的润湿界面成为目前研究者们迫切需要解决的问题。本论文将飞秒激光微纳米加工技术和仿生设计原理相结合,根据相关的工程应用需求,设计出具有特殊润湿性的微纳结构区域。首先,分析了飞秒激光微纳米加工系统的主要组成部分;在此基础上,研究了飞秒激光脉冲能量、脉冲次数对铝箔表面烧蚀微孔孔径大小的映射规律;接着,探索了基于超亲水/超疏水的微孔阵列铝箔的水滴单向传输模型的设计与制备、基于亲水/超疏水(疏气/超亲气)的微孔阵列铝箔膜的气泡单向传输模型的设计与制备,并对水滴/气泡的单向传输机制进行了系统地研究。具体内容如下:(1)揭示了飞秒激光微纳米加工系统的主要组成结构;以飞秒激光与材料相互作用的多尺度理论为基础,研究了飞秒激光脉冲能量、脉冲次数对铝箔表面烧蚀微孔孔径大小的映射关系,实现了铝箔表面不同微孔阵列大小的可控制备。(2)结合目前流体操控中水滴单向渗透的发展现状及遇到的科学问题,提出了超亲水/超疏水双面神铝箔膜可用于水滴的单向传输。研究了不同结构及化学构成的微孔阵列铝箔对水的润湿状态。相比于双面超亲水膜或双面超疏水膜单一的渗透或拦截,超亲水/超疏水双面神膜展现了独特的水滴单向传输能力;水滴可以从超疏水的上表面向超亲水的下表面传输,但相反方向则是被阻止。并且分别对三种不同润湿性膜的拦截和渗透或者单向传输机理进行了分析。(3)结合目前气泡操控中气泡单向渗透的发展现状及遇到的科学问题,提出了亲水/超疏水(疏气/超亲气)双面神铝箔膜可用于气泡的单向传输。研究了亲水/超疏水(疏气/超亲气)双面神铝箔膜的加工方案,并利用飞秒激光钻孔、低表面能改性以及随后氟化移除技术进行制备;分析了铝箔表面微纳结构及化学元素含量对于水和气泡润湿状态的影响。与双面亲水膜或双面超疏水膜单一的拦截或渗透特性相比,双面神膜展现了独特的气泡单向传输能力。引入到亲水下表面的气泡可以自发地向超疏水的上表面移动,但在相反方向上则是被阻止。对单向输运过程进行了原位地监控,并对其物理机理进行了系统地研究。此外,还论证了气体参与的化学/物理过程的思想,如CO2注入到紫色石蕊溶液使其变色等,证明了双面神膜的实用性。本文中提出的基于飞秒激光加工的具有复合润湿性的铝箔在水滴单向传输和气泡单向传输领域有着独特的功能和效果,为工业应用例如液体精馏、微化学反应操作、先进分离、生物医学材料等领域提供了一种潜在的研究方案和设计思路。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 润湿性相关概念
  •     1.1.1 接触角和Young's方程
  •     1.1.2 Wenzel状态和Cassie状态
  •     1.1.3 滚动角
  •     1.1.4 表面能梯度模型和Laplace pressure方程式
  •     1.1.5 水下超疏气表面和超亲气表面
  •   1.2 论文研究背景
  •     1.2.1 水滴单向传输
  •     1.2.2 气泡单向传输
  •   1.3 论文的主要内容
  • 第二章 飞秒激光加工平台及工艺
  •   2.1 飞秒激光微纳米加工系统
  •     2.1.1 飞秒激光系统
  •     2.1.2 精密加工系统
  •     2.1.3 控制系统
  •   2.2 飞秒激光与金属材料相互作用的机理研究
  •   2.3 本章小结
  • 第三章 基于超亲水/超疏水双面神膜的水滴单向传输研究
  •   3.1 飞秒激光制备超亲水/超疏水双面神膜的流程
  •     3.1.1 实验材料的选取
  •     3.1.2 超亲水/超疏水双面神膜的制备
  •   3.2 超亲水/超疏水双面神膜的水滴自传输性能
  •     3.2.1 超亲水/超疏水双面神膜表面结构分析
  •     3.2.2 润湿性差异形成的表面能梯度力的计算
  •   3.3 水滴在不同润湿性膜的通过测试
  •     3.3.1 水滴在双面超亲水膜的通过现象
  •     3.3.2 水滴在双面超疏水膜的通过现象
  •     3.3.3 水滴在超亲水/超疏水双面神膜的通过现象
  •   3.4 本章小结
  • 第四章 基于疏气/超亲气双面神膜的气泡单向传输研究
  •   4.1 飞秒激光制备亲水/超疏水（疏气/超亲气）双面神膜的流程
  •     4.1.1 实验材料的选取
  •     4.1.2 亲水/超疏水（疏气/超亲气）双面神膜的制备
  •   4.2 亲水/超疏水（疏气/超亲气）双面神膜的气泡自传输性能
  •     4.2.1 亲水/超疏水（疏气/超亲气）双面神膜表面结构分析
  •     4.2.2 润湿性差异形成的表面能梯度力的计算
  •   4.3 气泡在不同润湿性膜的通过测试
  •     4.3.1 气泡在双面亲水（疏气）膜的通过现象
  •     4.3.2 气泡在双面超疏水（超亲气）膜的通过现象
  •     4.3.3 气泡在亲水/超疏水（疏气/超亲气）双面神膜的通过现象
  •     4.3.4 不同润湿性膜的气泡传输效率对比
  •   4.4 不同润湿性膜的展示性应用对比
  •     4.4.1 不同润湿性膜的紫色石蕊溶液变色实验
  • 2溶液变浑浊实验'>    4.4.2 不同润湿性膜的Ca（OH）2溶液变浑浊实验
  • 2溶液变浑浊实验'>    4.4.3 不同润湿性膜的Ba（OH）2溶液变浑浊实验
  •   4.5 本章小结
  • 第五章 总结与展望
  •   5.1 总结
  •   5.2 展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读学位期间发表的学术论文

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 鄢曙光

    导师: 苏亚辉

    关键词: 仿生功能,飞秒激光,微纳结构,润湿特性,水滴单向传输,气泡单向传输

    来源: 安徽大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 物理学,无线电电子学

    单位: 安徽大学

    基金: 国家自然科学基金(61605002,面向全息视频显示的基于液晶调控等离激元的有源调制器件模型研究),安徽省高等学校自然科学研究项目(KJ2018A0014,飞秒激光制备“雾水收集”复合结构膜)

    分类号: TN249

    总页数: 72

    文件大小: 7602K

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