光滑注液表面动态电润湿及液滴驱动研究

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电润湿技术作为目前最常用的改变表面张力的手段,已被应用在数字微流控、变焦微液体透镜、微流体显示器技术和生物医学等诸多领域。与传统的固体电介质相比,光滑注液表面因其极低的接触角滞后、很高的击穿电压、抑制液滴振荡、低滑动角、防结冰和具有光学透明度等特性,近年来引起人们的极大关注。由于液滴在光滑注液表面上形成的油-液界面在外电压作用下会动态变化,其动态电润湿过程将与传统固-液界面产生明显差异。对光滑注液表面上液滴的动态电润湿行为及液滴操控的深入研究将对其实际应用起到很好的指导作用。本文首先建立了光滑注液表面上液滴动态电润湿的理论模型。结合实验研究了不同电压、油液厚度和粘度对光滑注液表面上液滴动态电润湿行为的影响。不同电压下的结果表明,液滴始终处于过阻尼状态,没有“过冲”现象。接着通过改变硅油的粘度,发现随着硅油粘度的增加,油水界面的粘性耗散将占主导地位,导致液滴接触线扩展缓慢。通过不同油层厚度的实验发现,初始油层厚度和润湿脊对液滴电润湿动态扩展的影响较小,并通过对实验结果进行理论拟合,获得了实际油层厚度与初始厚度之间的关系。光滑注液表面由于其良好的可逆性等在液滴操控方面具有广阔的应用前景。本文使用低成本及工艺成熟的PCB技术设计制备了V形、弧形和凸字形等非对称电极。利用改性注液表面消除了PCB电极间隙过大导致的驱动阻力过大的缺陷。采用简单控制的周期性方波电压方式实现了液滴的连续驱动,并研究了不同电极结构对液滴驱动性能的影响规律,获得了液滴连续驱动的电压幅值和频率的范围。通过COMSOL仿真软件仿真研究了电极结构对液滴驱动过程的影响。此外,还通过对凸字形电极的优化,仅用四个电压控制信号实现了环形电极上的多液滴双向操控。本文对光滑注液表面上液滴的动态电润湿以及非对称操控进行了系统性的研究,为各种功能表面的设计和其它相关应用提供有价值的参考信息。利用周期性方波电压实现了对液滴的双向连续驱动,使操控电路的复杂程度得到极大简化,对数字微流控技术的发展产生一定的推动作用。
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