具有疏液能力的表面在工程中具有广泛而重要的应用。例如在冷凝传热领域,疏液表面可使液体及时脱离,起到降低热阻的作用。而各行各业中,存在着大量低表面能工质,由于其高度的润湿性,传统的表面疏液处理对其无法适用。异形微结构因其可改善液体在表面的受力特性、存留大量气腔的能力,被广泛应用以解决上述问题,因此对表面异形微结构加工及润湿特性的研究具有十分重要的意义。本文从工程应用的角度出发,研究了三种不同的异形微结构表面加工工艺。使用了金属粉末烧结工艺,为解决异形结构在传统烧结工艺中无法拔模的问题,将异形微结构表面分为两部分分别进行烧结,再通过嵌套模具将二者精确定位,进行二次烧结将其结合,最终得到金属粉末二次烧结异形微结构表面;通过探究铜粉粒径对其收缩率与脱模性能的影响,确定了分部填充的方案保证微结构表面的尺寸精度;对比了两种孔隙填充方案,确定了石蜡填充以避免烧结体孔隙对液体产生的抽吸。使用不同表面张力的液滴,表征了表面的疏液性能,研究了不同几何参数对其润湿性产生的影响。实验结果显示,该表面最低可使表面张力30.69 m N/m的40%乙醇溶液保持疏液状态;其接触角随顶部直径和结构间距的增大而减小,较大的结构使大尺寸液滴的接触角数值产生明显变化,但总体趋势不变。加工了离子刻蚀法金属铜基异形微结构表面,其结构尺寸进一步缩小。为了解决异形结构难以一步成型的问题,采用了机加工结构底部、扩散焊接铜片形成结构顶部基体、离子束刻蚀释放顶部结构的多步加工工艺。其中,机加工基底与掩模板进行了协同设计,利用定位孔保证了结构的对正精度;研究了焊接压力对结构变形量的影响,确认了1 MPa的焊接压力可在低变形的条件下保证样品的焊接质量;最后采用氟硅烷修饰,进一步降低了材料的表面能。对其疏液能力进行表征,研究了不同排布方式对其润湿性产生的影响。实验结果显示,该表面最低可使表面张力26.72 m N/m的60%乙醇溶液保持疏液状态;点阵结构表面拥有更高的接触角,槽道则结构拥有各向异性润湿性,且可以支持更低表面能的液体保持疏液状态。使用光刻工艺,成功制造了更小尺寸的光刻法硅基异形微结构表面,结构为槽道排布。并且得益于二氧化硅与硅的刻蚀速率差异,该异形结构具有双凹角特征。其润湿性实验结果显示,该表面最低可使表面张力26.72 m N/m的60%乙醇溶液在平行槽道方向的接触角从36.36°提升到152.34°;接触角随结构间距的增加逐渐增大,随液滴表面能的降低而降低。在此过程中,较大结构间距的表面率先润湿,体现了接触角数值与保持疏液状态能力的矛盾特点;相较前两种表面,接触角受液滴体积影响不大;滚动角也具有各向异性特征,随结构间距和液滴体积的增大而减小。
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