微结构疏水表面振动液滴的动态浸润特性Word文件下载.doc

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因此，寻找冷凝条件下恢复超疏水性的方法成为当前滴状冷凝研究中最重要的问题之一[3-5]。

研究认为，疏水表面液滴可以存在多种浸润状态[6]，其中两种典型的浸润状态分别为[7-8]：

一种为Wenzel模型，如图1（a），假设液滴始终能填满粗糙表面凹槽，因此“粘”性极强，不易从粗糙表面脱落，存在很大的接触角滞后，其表观接触角θw可由Wenzel方程[3]描述如下：

（1）

（a）Wenzel状态（b）Cassie状态

图1粗糙表面水滴浸润状态

一种为Cassie模型，如图1（b），其假设固体表面时由两种不同物质组成，这两种不同成分的表面是以极小块的形式均匀分布在表面上，粘性微弱，因此能够轻易滚落，其表观接触角θw可由Cassie方程描述如下：

（2）

滴状冷凝过程中，为了促使液滴快速脱落即要求形成Cassie状态液滴。

研究表明，在外界施加压力[9]，加热[10]，蒸发[11]或者电压[12]的作用下，表面上液滴可以实现Wenzel状态和Cassie状态之间的转变。

近年来微振动方法也被用于浸润状态转变的研究中[13.14]，Chen等[15]对振动作用下荷叶表面冷凝液滴浸润状态转变进行了研究，认为微振动传导到液滴的动能超过粘附能的两倍时，冷凝液滴实现Wenzel-Cassie转变。

Bormashenko等[16]认为在振动下，当单位三相接触线受到的力超过一定的阈值，液滴的浸润状态则会转变。

而Bhushan等[17]认为，振动传导给液滴的惯性力FI大于液滴与表面之间的粘附力FA时，液滴垂直“脱离”，脱离表面，实现浸润状态转变。

同时，振动液滴的动态形态特性也有一定的研究，Noblin等[18]人研究了液滴在振动时的形态变化，发现粗糙表面的液滴在振动作用下，存在2种形变类型，即三相接触线移动与三相接触线固定类型，而这两种形变类型下又各包含两种不同的模式。

分析可见，目前对于微结构疏水表面振动过程中液滴的动态浸润特性的研究很少，液滴振动特性与振动信号之间的关系也不明确。

为此，本文通过对微结构疏水表面施加微振动，研究液滴瞬时动态浸润特性，分析微振动对液滴瞬时动态浸润特性的影响，探讨液滴动态特性与振动信号之间的关系，为更加有效的利用振动实现液滴浸润状态转变尊定基础。

1实验部分

1.1微结构疏水表面制备

加工材料选用聚二甲基硅氧烷（PDMS），该材料的本征接触角为113.7°

。

采用微加工光刻的方法在其表面构筑微凸起柱状结构，首先，在硅片上旋涂厚度为30mm的SU8-25光刻胶；

然后将掩膜板覆盖在US8-25上进行光刻，制作模子；

最后将PDMS倒入模子中，在90℃的真空烘箱内放置约60分钟后取出，将PDMS聚合体从SU8膜上剥离，从而完成制作。

图2为设计表面的方柱状微结构扫描电镜图，其中，r为柱体边长，a为柱间距，H为柱高，尺寸均为30mm。

利用KinoSL200B型接触角测量仪测量的粗糙表面平均接触角为148.5°

±

1.5°

，滚动角为19.5°

，液滴可以轻易滚落，接近超疏水表面[19]，如图3。

所有测量在环境温度为25±

1°

C，相对湿度50±

5％。

根据该材料的本征接触角为113.7°

及使用Wenzel状态方程（公式1）和Cassie状态方程（公式2）理论计算出来的值分别为：

143.5°

；

148.3°

，则液滴在微结构疏水表面初始状态为Cassie状态。

CA=151.80°

图2PDMS微结构疏水表面的扫描电镜图

图3实验装置图

1.2实验装置

实验采用的实验装置结构图如图3所示。

采用平面电喇叭振动膜产生的机械振动作为振动源激励微结构表面产生振动；

通过信号发生器和功率放大器调节输入频率和幅值。

振动频率为0～200Hz，振幅为0～±

4mm，输入波形采用正弦信号。

采用OLYMPUSi-SPEED3高速摄像机采集图像，采集速度为2000帧/秒。

2结果与讨论

2.1微方柱疏水表面振动液滴的动态行为特性

实验发现，在频率f=70Hz下，随着振动的进行，液滴在超疏水表面开始产生弹性变形，液滴的瞬间动态特征，液滴半径R，液滴高度H，固-液湿接触直径D等也随之不断变化，并为时间t的函数。

当振动幅值达到某一阈值时，液滴会从微结构疏水表面脱离。

图4为频率f=70Hz时，液滴脱离超疏水表面时的动态图像。

A.t=-7.0ms

B.t=-9.0ms

C.t=-10.5ms

D.t=0ms

E.t=-4.5ms

F.t=-1.5ms

G.t=-3.5ms

图4振动超疏水表面上液滴瞬时图像（取t=0为液滴脱离超疏水表面时刻）

同时，实验输入波形采用正弦曲线波形，振动幅值随时间周期性的变化A（t）=A0sin（2πft），其中A0为最大输入幅值，f为输入频率；

通过使用图像处理技术分析实验图片，得到平板振动瞬时的幅值A（t）及对应的固-液湿接触直径D（t）、液滴高度H（t），接触角，如图5（a），（b），（c）。

分析图5可以发现，随着外加振动振幅交替性的增大与减小，液滴瞬时动态特性也呈相应的增大与减小。

观察图4（A-C）与图5（a），可以发现：

当振动幅值由平衡位置向正方向增加时，由于惯性，液滴顶端速度小于液滴底部速度，液滴被“压缩”，使部分液体浸入到微方柱内部；

因此，液滴高度减小，三相接触线长度增加，瞬时接触角也减小。

然而，当时间t=-7.0ms（液滴脱离表面的时间点为t=0ms）时，振动幅值达到最大，液滴高度并不是最小；

当t=-9.5ms时，液滴高度最小；

可见，振动幅值与液滴瞬时高度之间存在一定的时间差Dt。

分析认为，一方面，由于液滴表面与固体表面之间的粘附作用，另一方面，液滴为弹性物体，而非刚性；

因此液滴瞬时高度变化存在一定的滞后性。

同样，液滴瞬时固-液接触线D（t）与液滴瞬时接触角都存在滞后性，如图5（b）,5（c）。

A

B

C

D

E

图5振动液滴瞬时动态特征及幅值A演变图

当振动幅值由正方向最大处向平衡位置减小时，液滴瞬时动态特性向相反的趋势变化，液滴被“还原”，如图4C-4E。

此时，由于惯性力与粘附力的相互作用，液滴顶部与液滴底部分别向相反方向运动，液滴被“拉伸”，液滴瞬时高度H增加，固-液接触线D也随着振幅减小而减小，三相接触线发生变化，液滴浸润状态改变；

当振幅减小为0mm时，固-液接触线相比初始状态基本没变，液滴状态还原为Cassie状态。

然而，此时接触角缓慢增加但小于初始表观接触角；

分析认为，液滴（对比初始状态液滴）被“拉伸”，液-气接触线发生变化,如图4（A）、4（E），因此，此时Cassie状态的接触角小于初始表观接触角。

进一步观察图5与图4（E-G），随着振动幅值负（相反）方向的增加，液滴脱离疏水表面“脱离”。

由固体表面与液体之间的粘附力，在Y方向，液滴底部运动速度大于液滴顶部速度，液滴进一步被“拉伸”。

因此，液滴瞬时高度H继续增加直到最大，固-液接触线D也进一步减小，最终脱离振动表面。

综上，振动液滴瞬时浸润特性分三种不同的过程：

“压缩”过程，“还原”过程，“脱离”过程。

2.2振动液滴瞬时浸润状态分析

“压缩”过程中，液滴被“压缩”，使部分液体浸入到微方柱内部；

由于部分液滴浸入微方柱内部，则三相接触线变化，液滴浸润状态将发生转变。

研究表明，Wenzel状态与Cassie状态之间存在能量差，实现液滴浸润状态转变需要克服两者之间的能垒[14-16]。

“压缩”过程中，液滴润湿微方柱，需要克服表面自由能；

“单元”微方柱被润湿时，所需克服的表面自由能为[17]：

（3）

式中，为固、液两相之间的表面张力，为固、气两相之间的表面张力，为气、液两相之间的表面张力，由于液体与本身蒸汽的吸附对液体本身的表面张力的影响很小，所以近似有，为材料的本征接触角。

研究认为[17]，存在着一维和二维2种不同的浸润状态转变模式，而润湿微方柱的个数取决于浸润转变模式，在此过程中，三相接触线、接触角缓慢且有规律的变化，不存在突变行为；

分析认为，液滴未被刺穿，浸润转变为1D转变模式。

图6为微结构疏水表面振动液滴动态过程及模型图。

观察图6（a），则被润湿微方柱的个数为：

（4）

因此，液滴“压缩”过程所需克服的表面自由能为：

（5）

其中Rmax、Ro分别为液体与固体表面最大接触半径、初始接触半径；

a，r分别为微方柱边长、间距；

h为液体浸湿微方柱高度。

实验中的电喇叭振动膜，对其施加一定频率和振幅的微振动，振动产生的能量通过微结构疏水表面传递到液滴的动能Ek为[15]：

（6）

同时，对液滴施加的外部振动频率和其固有频率相等[14]，即f=fn时，使其达到共振，以最大限度的传递能量，假设为1。

因此，实验中传递到液滴的动能Eko为：

（7）

其中ρ为液滴密度；

V为液滴体积；

f为振动频率；

A为振幅。

液滴获得的动能EK0提供了润湿微方柱所需克服的表面自由能E，则：

（8）

由实验测得,2Rmax=Dmax=1.71mm,2R0=D0=1.05mm,A=0.31mm,f=70Hz,V=4mL,,和，可以计算得到液滴润湿微方柱的深度h：

（9）

显然，此时液滴浸润状态接近完全Wenzel状态，即在液滴“压缩”过程，实现了液滴由Cassie

状态转变为Wenzel状态转变；

且浸润转变模式为1D模式，验证了前文的分析。

（a）压缩过程

t=-7.0ms

t=-9.0ms

t=-10.5ms

（b）还原过程

t=-4.5ms

t=-3.5ms

（c）脱离过程

t=-1.5ms

t=0ms

图6振动超疏水表面上液滴瞬时图像及模型图（取t=0为液滴脱离超疏水表面时刻）

液滴的“还原”过程，可近视认为是压缩过程的可逆过程，实现了液滴由Wenzel状态到Cassie状态转变，图6（b）为此过程液滴动态过程及模型图。

同时，实验表明，在一定频率下，当振动幅度达到某一阈值时，液滴向上脱离，脱离超疏水表面。

分析认为，只有当外加振动能量Ek大于液滴和微方柱粗糙表面之间的黏附功Ea，液滴才能脱离疏水表面“脱离”，所以存在振动阈值；

如果液滴与表面之间无粘附作用，则此时液滴将脱离表面。

图6（c）为此过程液滴动态过程及模型图,液滴都为Cassie状态,液滴和固体表面间的湿接触直径逐渐减小，直至液滴完全脱离。

3结论

通过研究，可以获得以下结论：

1、在微柱状结构超疏水表面，施加某一共振频率（正弦波形）的微振动时，随着幅值波峰与波谷之间的交替变化，液滴产生交替性收缩和拉伸的弹性形变；

振动液滴经历三种形变过程，即：

2、对于微方柱疏水表面一个初始状态为Cassie状态的液滴，振动过程中，液滴经历由Cassie－Wenzel－Cassie的浸润状态转变过程。

3、在“压缩”过程中，液滴由Cassie状态向Wenzel状态转变，且为一维转变模式；

“还原”过程为“压缩”过程的可逆过程，实现了液滴由Wenzel状态到Cassie状态转变；

“脱离”过程，液滴和固体表面间的湿接触直径逐渐减小，当外加振动能量大于液滴与固体表面之间的黏附功时，液滴脱离表面。

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