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生物表面湿粘附的理论和实验研究

作　者: 康强
导　师: 季葆华
学　校: 清华大学
专　业: 力学
关键词: 超疏水迟滞湿粘附防污涂层仿生设计
分类号: Q66
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

表面湿粘附研究是力学、材料和生物多学科交叉领域的研究热点,具有重要的实际应用价值。本文首先研究了三相接触线对表面迟滞的影响,并用软件Surface Evolver对模型进行了模拟比较,结果与模型符合。同时我们还制备了一系列相同面积比的微米表面,并对表面的迟滞行为进行了实验测试,测试结果证明了三相线模型的正确性。在湿粘附部分,本文建立了一个二维模型研究壁虎脚趾多绒毛结构增强湿粘附的机理。利用二维模型,我们研究了一个整体结构在保持总外观尺寸、总液体体积不变的情况下分成一定数量的小纤维后粘附力的变化。我们用软件Surface Evolver对二维模型进行了模拟验证,结果表明二维模型是可信的。同时我们将二维模型结果与其它研究者的部分计算结果进行了对比分析,验证了二维模型的正确性。本文对单纤维整体结构和多纤维细分结构进行分析后,结果显示,细分结构在液桥不连通情况下粘附力随着分割数的增大而增大,在一个临界值情况下超越整体结构;同时细分结构的粘附力更加的稳定,对高度不敏感,可以在比较粗糙的环境中保持比较大的粘附力;在外界湿度比较大的情况下,细分结构在不连通多液桥情况下可以始终保持比较高的粘附力,以满足生物对潮湿环境的适应;改变表面和液滴的接触角,多纤维细分结构对高度不敏感性及粘附力比较大等特性依然存在,说明多纤维细分结构在不同材料表面获得粘附力方面都有优势。本文还研究了在不考虑纤维间距的情况下,细分结构的优势。结果显示分割数目越多,粘附力越大,并且多纤维细分结构粘附力同样对高度没有单纤维整体结构敏感。最后根据壁虎脚趾的实际参数估算了壁虎的粘附力,模型估计的壁虎的粘附力与实验值符合。基于生物超疏水表面设计原理,本文进行了海洋防污涂料的制备和性能测试研究。本文首先制备出传统单级结构的涂层表面,然后再在此表面上生成二级微纳米结构以达到超疏水的要求。我们在不同的基底上制备了超疏水表面,如钢板、橡胶等基材,并对涂料的耐盐水性及其与基材间的粘附力进行了测试。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章引言  8-23
  1.1 研究背景  8-9
  1.2 超疏水和据水仿生表面的应用  9-13
    1.2.1 生物防污  9-10
    1.2.2 微流体传输  10-11
    1.2.3 微机械设计  11-13
  1.3 表面迟滞及湿粘附的研究进展  13-21
    1.3.1 基本模型假设  13-16
    1.3.2 超疏水的理论研究  16-19
    1.3.3 生物湿粘附的研究进展  19-21
  1.4 防污涂料的研究进展  21-22
    1.4.1 海洋防污涂料的发展与近况  21
    1.4.2 微纳米表面的实验方法及制备  21-22
  1.5 论文结构安排  22-23
第2章具有微结构表面的迟滞模拟及实验研究  23-33
  2.1 三相线模型的迟滞理论研究  23-25
  2.2 三相线模型的模拟研究  25-28
    2.2.1 模拟软件介绍  25-26
    2.2.2 微结构迟滞模拟  26-27
    2.2.3 结果分析  27-28
  2.3 实验验证  28-32
    2.3.1 刻蚀法加工微米表面  28-29
    2.3.2 表面接触角及迟滞角测试  29-32
  2.4 小结  32-33
第3章具有微结构表面湿粘附的研究  33-66
  3.1 研究背景  33-34
  3.2 湿粘附理论研究  34-52
    3.2.1 单纤维模型  34-39
    3.2.2 多纤维模型  39-47
    3.2.3 模型验证  47-52
  3.3 结果分析  52-59
  3.4 结构尺寸可变的多纤维模型  59-62
  3.5 实际接触液滴体积的估计  62-65
  3.6 小结  65-66
第4章防污涂料表面的制备与检测  66-78
  4.1 防污涂层实验室制备  66-72
  4.2 涂膜表面的检测  72-77
    4.2.1 附着力实验  72-75
    4.2.2 耐盐水实验  75-77
  4.3 小结  77-78
第5章总结  78-80
参考文献  80-84
致谢  84-85
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  85

生物表面湿粘附的理论和实验研究

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