不同表面自由能的酒精水溶液在不同微结构表面上的静态润湿模型研究

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1、2013年第4期桂林航天工业学院学报(总第72期)JOURNALOFGUILINUNIVERSITYOFAEROSPACETECHNOLOGY机电技术应用不同表面自由能的酒精水溶液在不同微结构表面上的静态润湿模型研究赵佳彬卢珍萍(北京理工大学宇航学院，北京100081)摘要通过改变酒精溶液中酒精的质量分数来得到具有不同表面自由能的酒精溶液，继而分别实验测量酒精溶液在光滑硅片表面、具有凸柱微结构的硅片表面、具有凹槽微结构的硅片表面上的静态接触角，通过经典的Cassie模型和Wenzel模型，得到凸柱微结构硅片表面和凹槽微

2、结构硅片表面上的理论静态接触值，从而根据理论角值和实验值对比推断出各自的润湿模型，并分析形成各自润湿模型的原因。关键词表面自由能；微结构表面；润湿模型；静态接触角中图分类号：0359文献标志码：A文章编号：2095—4859(2013)04—380—04润湿性广泛存在于自然界环境中，比如荷叶的)~SV-~SL(1)c。o。s舻驴。一——‘)自清洁性[1]，又如水银在玻璃上形成小珠，但水在玻璃上却能铺展开来。润湿现象不仅影响自然界式中，。为光滑平面表面接触角；)，、，、)，、中动植物的种种生命活动，而且对人类的生活和生7

3、LV分别为固气、固液、液气表面能，单位为mJ／m。产也起着重要的作用[2]。润湿的应用非常广泛，比由此可见，表面能对接触角有决定作用。如制备自清洁材料[3]，矿物的粉尘清理[4]，机器用当表面具有微结构，具有一定粗糙度时，材料的润滑油[5]，减小流体摩擦阻力[6等都与润湿有着表面会存在两种不同的润湿状态，当液滴滴在具有密切的关系粗糙度的表面时，液滴全部浸润到微结构中时的状影响润湿性的因素主要有两个，一是表面自由态为Wenzel模型[8]，如图1(b)所示，利用Young能，二是表面微结构。本文主要研究了表面能对润方程推

4、导出其表观接触角为：湿性质的影响，例如前面所述的水滴和水银液滴同cos~w—rcos~o(2)时接触到玻璃表面表现出的不同形态就是表面能式中，r为微结构表面粗糙系数，即实际固液的影响。表面自由能是通过改变酒精水溶液中酒接触面积与其在基底平面投影面积的比值，无量精的质量分数来改变；润湿性质用溶液液滴在材料纲；。为材料本征接触角。表面上的接触角大小来衡量；由于在实际生活中材当液滴仅仅润湿粗糙表面凸起部分，凹下部分料表面并不是光滑的，粗糙表面与光滑表面的润湿液滴表面与材料表面之间有空气时，呈现的是性质也会有所不同，因而本文还

5、研究了液滴表面自Cassie模型[9]，如图1(a)所示，利用Young方程推由能对其在粗糙表面上润湿模型的影响。导出其表观接触角为cos~oc—fcos90+f一1(3)1理论背景式中，，为润湿部分所占的面积分数，无量纲。在理想平面材料的润湿性质，即其表面没有微通过液滴与结构表面的润湿情况，如图1(a)结构的情况下，当液滴在光滑表面上润湿时，遵循和图1(b)，根据液滴是否浸润到微结构之中来判的是方程Young：定此表面上Cassie-Baxter润湿模型和Wenzel润*作者简介：赵佳彬，男，山东东营人。硕士研究生。

6、研究方向：表面材料润湿性质。3802013年第4期桂林航天工业学院学报(总第72期)JOURNALOFGUILINUNIVERSITYOFAEROSPACETECHNOLOGY赵佳彬卢珍萍／文一曩{垂}3．3酒精水溶液在微柱结构表面的硅片润湿3．4酒精水溶液在微槽结构表面的硅∞片∞润湿加∞踮∞加模型模型图6中所示方点为实验数据，圆点和三角点分图7中所示方点为实验数据，圆点和三角点分别是根据图4中的实验数据，代入式(2)和式(3)算别是根据图4中的实验数据代人式(2)和式(3)得出的Wenzel模型和Cassie模型下的

7、理论接触角出的Wenzel模型和Cassie模型下的理论接触角(硅片表面粗糙度r一2，面积分数f一0．25)。可以(硅片表面粗糙度为r一3，面积分数为f=0．75)。看出酒精质量分数小于0．25的时候，实验测得的可以看出实验数据点与Cassie模型理论接触角大静态接触角与Cassie模型理论接触角相近，此时小接近，因而此时液滴在微结构表面上所处的润湿液滴在微结构材料表面的润湿模型为Cassie模模型为Cassie模型。这可能是因为凹槽的微结构型，在大于0．25的时候其接触角小于Cassie模型中，微槽彼此不连通，并且跟

8、外界空气的接触被液理论接触角但大于Wenzel模型下的接触角，可以相隔离，内部的空气被束缚在槽中，导致溶液不能推测Cassie模型已经被破坏，但没有完全达到够浸润到槽中，因而不能形成Wenzel模型。Wenzel模型。在实验过程中发现，酒精质量分数小于0．25的实验中，将硅片表面的液滴吹走后没12o有残余液膜，而酒精质量分数大于0