润滑油浸润粗糙基底超滑性能探究

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润滑油浸润粗糙基底后会在表面形成油膜,液滴与油膜的液-液接触代替液滴与固体、气体的三相接触,基底倾斜大约3°时液滴就可以实现滑动,这种润滑油浸润粗糙基底得到的表面被称为超滑表面。超滑表面对低表面能液体、高表面能液体、简单液体、复杂液体都具有排斥性能,快速的自修复性能,优良的光学性能,抗冲击和抗压性能好等优点,在生物防污、金属防腐、抗雪霜粘附、微流控、减阻、生物医学等方面具有广阔的应用前景,本论文从以下方面对超滑表面进行学习和探究:
  1、通过ANSYS模拟研究了纳米压印过程中影响模板空腔内聚合物填充的因素,通过实验研究了制备粗糙基底的方法。首先分析了模板的弹性模量对模板变形、聚合物填充、模板应力的影响,模拟结果显示模板的弹性模量越大,模板变形越困难,模板空腔的聚合物填充越好,模板的应力集中越明显。然后探究了超滑表面的制备方法,超滑表面的制备步骤分为粗糙基底制备和润滑油的浸润两步。制备粗糙结构主要是通过以下三种方法:模板复制法、化学法和等离子体处理拉伸后的聚二甲基硅氧烷(PDMS)。实验观察分析了三种制备粗糙基底方法的优缺点,化学法制备方法工艺简单但是制备的结构可控性较差,等离子体处理拉伸后的PDMS制备只能制备褶皱结构,且结构可控能力也差,模板法可以制备周期、形状、尺寸可调的规则的粗糙基底,因此下面粗糙基底对超滑表面的超滑性能和锁油性能问题的探究采用模板复制法制备粗糙结构。
  2、测试多孔结构制备的超滑表面的超滑性能。实验测试多孔阵列基底疏水性能和超滑性能,通过实验结果得出未注油基底疏水性能对超滑表面液滴滑动过程、液滴与残余油膜接触模型。实验结果显示随着孔径增加多孔基底疏水性能增加,排斥液滴能力增强。多孔基底制备的超滑表面随着孔径的增加滑动角减小,滑动若干次出现滑动角跳跃式增加,这是因此液滴与未注油的多孔基底的接触为Cassie-Baxter模型。
  3、测试柱阵列基底制备的超滑表面超滑性能。实验测试柱阵列基底疏水性能和超滑性能,通过实验结果得出未注油粗糙基底疏水性能对超滑表面液滴滑动过程、液滴与残余油膜接触、液滴滑动动力模型。实验结果显示,随着柱阵列高度的增加,基底的疏水性增加,且基底形状及尺寸对疏水性影响可以忽略。随着柱阵列基底柱径的增加,基底的接触角减小,疏水效果变差。柱阵列制备的超滑表面,滑动角随着滑动次数的增加表现出缓慢、连续增加和跳跃增加两种形式。20um、40um、60um的柱阵列基底滑动角随着滑动次数增加表现出缓慢、连续增加,推断液滴与未注入润滑油的接触模型为Wenzel模型,80um柱阵列制备的超滑表面滑动角出现跳跃与多孔阵列基底类似,液滴与基底接触模型为Cassie-Baxter模型。
  4、研究了苯基硅油粘度对超滑表面超滑性能。选择粘度为100cp、200cp、350cp、500cp、1000cp苯基硅油作为浸润粗糙基底的润滑油,研究满足超滑表面超滑性能和长久作用机制的最佳润滑油粘度。通过对不同粘度的苯基硅油制备的超滑表面长久作用机制和超滑性能两方面探究,发现苯基硅油的最佳粘度为200cp。
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