【摘 要】
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超疏水表面广泛存在于自然界中,通过仿生制备的超疏水表面可用于防水、防冰、水下减阻等工程领域。研究发现超疏水表面疏水的根本原因在于其上的微纳米结构,因而有必要从纳米尺度探究液滴与具有纳米结构表面的界面相互作用。此外,近年来微纳米技术得到了迅速的发展,超疏水表面的应用已经拓展到了微纳米尺度。探究纳米液滴与固体表面的相互作用可为纳米器件研制、喷墨打印、甚至于宏观超疏水表面的研制提供一定的理论指导。本文采
【基金项目】
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“拉伸载荷下的碳纳米管/氧化石墨烯界面剪切失效机理研究”国家自然科学基金项目(11402065)
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超疏水表面广泛存在于自然界中,通过仿生制备的超疏水表面可用于防水、防冰、水下减阻等工程领域。研究发现超疏水表面疏水的根本原因在于其上的微纳米结构,因而有必要从纳米尺度探究液滴与具有纳米结构表面的界面相互作用。此外,近年来微纳米技术得到了迅速的发展,超疏水表面的应用已经拓展到了微纳米尺度。探究纳米液滴与固体表面的相互作用可为纳米器件研制、喷墨打印、甚至于宏观超疏水表面的研制提供一定的理论指导。本文采用碳纳米管、石墨烯两种材料设计了一种定向排列的混杂体超疏水结构,采用分子动力学模拟的方法探究纳米液滴在该结构表面的动静态润湿行为。在静态润湿行为方面,本文探究了结构中的碳纳米管的高度和间距对结构的浸润性的影响,发现了结构尺寸参数对润湿行为的影响规律,并找到了一种最为优异的超疏水结构。在动态润湿行为方面,本文探究了液滴在该结构表面的冲击动力学行为,包括了结构尺寸参数、冲击速度、冲击角度对冲击行为的影响,其中冲击过程中的拓展因子与速度具有良好的线性关系,恢复系数与韦伯数同样也具有良好的线性关系。基于接触时间、恢复系数等参数,探究了该结构表面液滴冲击动力学行为的影响规律,发现了动态润湿下的一种优异的超疏水结构,完善了浸润性研究的不足。此外,本文发现了液滴垂直下的四种撞击现象,其中的饼状弹跳现象与此前宏观实验所获得的现象几乎一致。碳纳米管的长度对结构的浸润性以及冲击的动力学行为影响很大,因此,本文基于以上的研究探究了纳米液滴冲击超长碳纳米管/石墨烯膜的动力学行为。这里发现了不同短碳纳米管下的的柔性撞击行为,相比于短纤维的刚性撞击该模式撞击过程中结构受力较小、接触时间较长、水滴的动能损失较小。此外,纳米液滴倾斜撞击时,碳纳米管结构相比于垂直冲击更容易发生破坏,破坏最大应力在2 GPa左右。
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