積分?jǐn)?shù)和間距之間的關(guān)系。根據(jù)建立的無量綱高度準(zhǔn)則(公 式8)作出h/Ι與口和Θ之間的函數(shù)圖（見圖2)，通過圖像能準(zhǔn)確得出維持穩(wěn)定Cassie狀態(tài)所 需的條件，可作為維持穩(wěn)定Cass ie狀態(tài)理論判據(jù)。對于給定表面屬性和微柱間距的結(jié)構(gòu)可 以通過調(diào)整微柱的制造高度使h>h。!·從而實現(xiàn)穩(wěn)定Cassie狀態(tài)，獲得具有穩(wěn)定超疏水性能的 周期排列的微柱結(jié)構(gòu)表面。對于低本征接觸角的表面，可通過適當(dāng)增加微柱高度使其達(dá)到 穩(wěn)定超疏水狀態(tài)；由于精加工的成本與加工精度密切相關(guān)，為降低經(jīng)濟成本，可適當(dāng)增大微 柱間距，通過調(diào)節(jié)微柱高度和本征接觸角制造超疏水表面。
[0033] 本發(fā)明從最小能量原理的角度出發(fā)提出液滴形成穩(wěn)定Cassie狀態(tài)的臨界高度準(zhǔn) 貝1J，可作為制備穩(wěn)定超疏水微結(jié)構(gòu)的一種理論判據(jù)。通過計算臨界高度對能否形成穩(wěn)定 Cassie狀態(tài)進(jìn)行理論預(yù)測，從而實現(xiàn)穩(wěn)定超疏水表面的可控設(shè)計。在表面微結(jié)構(gòu)幾何參數(shù) 預(yù)設(shè)計的基礎(chǔ)上，同時考慮了微柱高度、間距、底面邊長、本征接觸角對結(jié)構(gòu)疏水性能的影 響。以臨界高度作為關(guān)鍵參數(shù)，給出了穩(wěn)定Cassie狀態(tài)的設(shè)計思路和理論判據(jù)，從理論上對 此類結(jié)構(gòu)的疏水性能進(jìn)行預(yù)測，設(shè)計過程方便快捷，設(shè)計方法易于掌握。此外，通過Fluent 軟件中VOF方法對此類微結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行濕潤性仿真，仿真的結(jié)果證實了理論的正確性。
【附圖說明】
[0034]圖1為技術(shù)實現(xiàn)方案中超疏水結(jié)構(gòu)的設(shè)計流程圖；
[0035] 圖2為h/Ι與識和Θ的函數(shù)關(guān)系圖；
[0036] 圖3為周期性排列的微結(jié)構(gòu)形貌示意圖；
[0037] 圖4為本征接觸角為120°準(zhǔn)靜態(tài)下液滴浸潤性模擬結(jié)果圖；
[0038] 圖5為本征接觸角為120°以lm/s的初速度碰撞微結(jié)構(gòu)表面時液滴浸潤性結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0039] 下面結(jié)合圖3、圖4和圖5來說明本發(fā)明的具體實施方案。圖3是周期性微柱結(jié)構(gòu)表 面，圖4是半徑為0.25mm的水液滴以準(zhǔn)靜態(tài)躺滴的方式接觸圖3表面處于穩(wěn)定Cassie狀態(tài)的 情形，圖5是半徑為0.25mm的水液滴以lm/s的初速度碰撞圖3表面變形、回彈和最終處于穩(wěn) 定Cas s i e狀態(tài)的情形。圖4和圖5均為通過Fluent軟件得到的仿真圖。圖中的a、1和h分別為 微柱底邊邊長、微柱高度和微柱間距。
[0040] 實施例1
[0041] A.建立周期排列的微柱結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示；
[0042] B.建立維持穩(wěn)定Cassie狀態(tài)的理論判據(jù)，即推導(dǎo)出周期性排列的微柱結(jié)構(gòu)表面的 臨界高度公式(7)或者(8);
[0043] C.預(yù)設(shè)計微柱結(jié)構(gòu)表面的幾何參數(shù)a = 50ym, I = 100ym，h = 100μπι, Θ = 120°。根據(jù) 公式cos =<COS0+ 1)-1計算出表觀接觸角是151°大于150°進(jìn)行下一步。
[0044] D.根據(jù)公式(7)計算出臨界高度37.5μπι。預(yù)設(shè)計微柱結(jié)構(gòu)高度大于臨界高度，進(jìn)行 Fluent軟件從靜態(tài)躺滴和動態(tài)回彈兩個方面模擬，均能維持在穩(wěn)定Cassie狀態(tài)，如圖4和5 所示。進(jìn)行下一步。
[0045] E.根據(jù)預(yù)設(shè)計的微柱結(jié)構(gòu)表面參數(shù)進(jìn)行實驗制備，實驗測試其穩(wěn)定性能。
[0046] 本專利提出的以上實施例只對技術(shù)方案進(jìn)行說明，而不進(jìn)行限制。
【主權(quán)項】
1. 一種微柱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定超疏水表面的可控設(shè)計方法，其特征在于，包括W下步驟： 第一步，建立周期性排列的微柱結(jié)構(gòu)模型，設(shè)置微柱結(jié)構(gòu)模型的幾何參數(shù);所述的幾何 參數(shù)包括單個微柱的高度h，單個微柱的底邊邊長a,微柱的間距1，微柱結(jié)構(gòu)表面的本征接 觸角9; 第二步，建立維持穩(wěn)定化ssie狀態(tài)的理論判據(jù) 維持穩(wěn)定Cassie狀態(tài)的最小高度為臨界高度，該臨界高度判斷設(shè)計的微柱結(jié)構(gòu)表面能 否維持穩(wěn)定的化ssie狀態(tài);臨界高度的計算公式推導(dǎo)過程為： 2.1計算表面自由能的改變量dE 液滴在穩(wěn)定超疏水表面鋪展dx時，若形成Wenzel狀態(tài)則采用公式（1)計算dE;若形成 化ssie狀態(tài)則采用公式（2)計算祀；其中，固液交界面的面積分?jǐn)?shù)，a表示每個微柱底面邊長， h表示每個微柱底面高度，1表示微柱間距，丫 SG，丫 SL，丫 GL分別表示固氣、固液和氣液的表面 張力； 2.2計算微柱結(jié)構(gòu)表面的臨界角0cr 將楊氏方程丫 SL= 丫 SG+ 丫 glcos9代入巧)得到公式(6)其中，Θ是微柱結(jié)構(gòu)表面的本征接觸角； 2.3計算微柱結(jié)構(gòu)表面的臨界高度值her 臨界高度值her是維持穩(wěn)定化ssie狀態(tài)的最小微柱高度，將r = (4作^ +1)代入公式(6)得 a 到臨界高度值ha的計算公式(7);公式(8)消除尺寸影響使將公式(7)化成一個無量綱參數(shù) 公式；第Ξ步，預(yù)設(shè)計微柱結(jié)構(gòu)表面的幾何參數(shù) 根據(jù)cos話樹c〇s0 + l)-l計算液滴在微柱結(jié)構(gòu)表面的表觀接觸角，根據(jù)表觀接觸角 判斷預(yù)設(shè)計微柱結(jié)構(gòu)表面是否具有超疏水性能；當(dāng)表觀接觸角不小于150°，計算微柱結(jié)構(gòu) 表面的臨界高度值;當(dāng)表觀接觸角小于150%重新預(yù)設(shè)計微柱結(jié)構(gòu)表面的幾何參數(shù)； 第四步，計算微柱結(jié)構(gòu)表面的臨界高度 計算預(yù)設(shè)計的微柱結(jié)構(gòu)表面的臨界高度值，若預(yù)設(shè)計的微柱高度大于臨界高度值，貝U 通過Fluent軟件從靜態(tài)躺滴和動態(tài)液滴撞擊回彈兩個方面判斷液滴能否維持穩(wěn)定的 化ssie狀態(tài)，如果液滴維持穩(wěn)定的化ssie狀態(tài)，進(jìn)行第五步，如果液滴不維持穩(wěn)定的化ssie 狀態(tài)，則重復(fù)步驟Ξ;若預(yù)設(shè)計的微柱高度小于臨界高度值，則重復(fù)步驟Ξ; 第五步，根據(jù)預(yù)設(shè)計微柱結(jié)構(gòu)表面的幾何參數(shù)制備微柱結(jié)構(gòu)表面，進(jìn)行實驗驗證，測試 其超疏水性及穩(wěn)定性。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種微柱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定超疏水表面的可控設(shè)計方法，從最小能量原理的角度出發(fā)提出液滴形成穩(wěn)定Cassie狀態(tài)的臨界高度準(zhǔn)則，可作為制備穩(wěn)定超疏水微結(jié)構(gòu)的一種理論判據(jù)。通過計算臨界高度對能否形成穩(wěn)定Cassie狀態(tài)進(jìn)行理論預(yù)測，從而實現(xiàn)穩(wěn)定超疏水表面的可控設(shè)計。通過對設(shè)計出的微柱結(jié)構(gòu)的靜態(tài)躺滴和動態(tài)回彈的Fluent軟件仿真數(shù)值模擬，對設(shè)計的微柱結(jié)構(gòu)表面浸潤性能進(jìn)行驗證。本發(fā)明所提出的周期排列的微柱結(jié)構(gòu)超疏水表面設(shè)計方法同時考慮了微柱高度、微柱間距、微柱底面邊長、本征接觸角對微柱結(jié)構(gòu)表面疏水性能的影響，涉及超疏水設(shè)計、材料仿真模擬領(lǐng)域，設(shè)計過程方便快捷，設(shè)計方法易于掌握。
【IPC分類】G01F15/00, G06F17/50
【公開號】CN105550476
【申請?zhí)枴緾N201610049180
【發(fā)明人】張偉, 張潤潤, 吳承偉, 馬建立
【申請人】大連理工大學(xué)
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2016年1月25日