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超疏水表面制备及微液滴电操控研究

作　者: 史立涛
导　师: 吴承伟
学　校: 大连理工大学
专　业: 计算力学
关键词: 超疏水表面微液滴电场操作控制
分类号: TB304
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

超疏水表面是一种接触角大于150°,滚动角小于10°的表面。它具有极低的表面能,因此拥有自清洁、防雾等特殊功能,同时还能显著减小液体的流动阻力,而在微纳米尺度下,由于很大的表面积体积比,固体表面力作用成为影响相关微流体流动性能的关键问题。因此,超疏水表面的制备以及微流体在超疏水表面的操作控制技术成为微纳米科技领域研究的热点之一。本文主要开展了以下两方面的研究：(1)基于仿生学的原理探索超疏水表面的制备技术；(2)研究基于电场作用的超疏水表面微液滴操控技术。基于仿生学的原理,本文研究了两种以微针阵列为基底的制备超疏水表面方法。一、通过将不同尺寸的微针组装成针列,再将针列表面进行化学刻蚀及氟化,最终可制备出接触角高达167°的超疏水表面；二、同样将不同尺寸的微针组装成针列,但利用十四酸在微针阵列表面自然结晶,可在针列端部生成具有花瓣状结构的结晶体,经测试该表面接触角可达153°。微液滴振动是一种高效的多种微液滴混合技术,对提高生化反应速率有重要应用价值。本文基于电湿润原理,研究了超疏水表面上微液滴的电致振动行为。研究结果表明：十四酸铜表面液滴的电致振动行为与交流电压的频率、幅值和液滴大小有关,液滴振动模态阶次随着频率的增加而增加,电压对振动有增强作用。精确操控微纳液滴是微流体控制技术的重要研究方向,本文基于电场控制技术,提出了一种超疏水表面微液滴的精确输运方法,其中如何精确放置微液滴是技术关键。本文设计了一种微液滴操控系统,利用外加电场,实现了微液滴运动的精确操控；随着微液滴半径的增加,所需的电压越小；微液滴距离表面的距离越小,所需的电压也越小；研究发现,所选用的“微液滴机械手”电极针的直径也是一个重要的参数。此操控方法能随意在超疏水表面精确放置微液滴,以期对微流体控制装置的设计有所帮助。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-25
  1.1 超疏水表面及微流体操作控制技术研究背景  9-12
  1.2 表面湿润性的理论基础  12-15
    1.2.1 理想固体表面的杨氏方程  13
    1.2.2 粗糙表面湿润性的研究  13-15
  1.3 超疏水表面的制备技术  15-19
    1.3.1 超疏水表面的基本概念  15
    1.3.2 超疏水表面的制备技术研究概况  15-19
    1.3.3 超疏水表面的应用面临的问题  19
  1.4 微液滴控制技术的研究现状  19-23
    1.4.1 电湿润的研究概况  20-21
    1.4.2 电湿润的应用研究概况  21
    1.4.3 微液滴非电控制技术研究近况  21-23
  1.5 本文的研究内容  23-24
  1.6 本章小结  24-25
2 仿生针列超疏水表面制备  25-35
  2.1 实验部分  25-27
    2.1.1 实验材料与仪器  25
    2.1.2 刻蚀氟化法制备仿生微针阵列超疏水表面  25-27
    2.1.3 十四酸结晶法制备仿生微针阵列超疏水表面  27
  2.2 结果表征与分析  27-31
    2.2.1 仿生微针阵列微结构表面形貌  28
    2.2.2 刻蚀处理仿生针列的微结构形貌及湿润性  28-29
    2.2.3 十四酸结晶仿生针列的微结构形貌及湿润性  29-31
  2.3 结果与讨论  31-34
    2.3.1 刻蚀氟化仿生微针阵列表面超疏水机理  31-32
    2.3.2 十四酸结晶仿生微针阵列表面超疏水机理  32-34
  2.4 本章小结  34-35
3 超疏水表面微液滴电致振动研究  35-44
  3.1 引言  35
  3.2 实验装置及方法  35-38
    3.2.1 实验装置及功能  35-36
    3.2.2 十四酸铜超疏水表面形貌及湿润性  36-37
    3.2.3 十四酸铜超疏水表面电湿润特性  37-38
  3.3 结果与分析  38-42
    3.3.1 激励频率对液滴振动形态的影响  38-39
    3.3.2 液滴大小对液滴振动形态的影响  39-40
    3.3.3 激励幅值对液滴振动形态的影响  40-42
    3.3.4 电致振动理论分析与数值模拟  42
  3.4 本章小结  42-44
4 超疏水表面微液滴输运控制研究  44-53
  4.1 引言  44-45
  4.2 实验部分  45-48
    4.2.1 微液滴输运实验装置  45-46
    4.2.2 微液滴输运实验材料  46-47
    4.2.3 微液滴输运方法  47-48
  4.3 结果与分析  48-52
    4.3.1 超疏水表面微液滴输运过程分析  48-50
    4.3.2 微液滴高度对落滴行为的影响  50-51
    4.3.3 微液滴半径对落滴行为的影响  51-52
  4.4 本章小结  52-53
结论  53-54
参考文献  54-60
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  60-61
致谢  61-63

超疏水表面制备及微液滴电操控研究

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