| 仿生超滑移表面 的制备 及其性能研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 陈奕 | |
| Thesis Advisor | 刘维民,郭志光,梁永民 |
| 2022-05-20 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Department | OSSO国家重点实验室 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 仿生，超滑移表面 ，离子液体 ，润滑油自补给 ，摩擦起电 |
| Abstract | 对荷叶效应潜在机制的研究表明，具有微纳结构的表面以及较低的表面能是实现超疏水特性的关键因素。低表面能的微纳结构表面会捕获一层气垫来隔绝与水滴的接触，从而降低了水滴与表面之间的接触面积，使水滴易于从表面脱落。将超疏水应用到各种表面材料中，能够赋予其防污、自清洁等特点。随着对超疏水表面的深入研究发现，当表面处于极端条件，如高速液滴冲击、高压、高湿度时，超疏水表面的气垫会被液滴穿透，使得液滴与结构基底表面的接触面积加大，从而钉扎在表面。随着特殊浸润性表面的快速发展，2011年Aizenberg受猪笼草的昆虫捕捉机制启发，提出了润滑油灌注的多孔超滑移表面（SLIPSs）的理念，通过利用稳定的润滑层来代替超疏水表面的气垫，在保持了疏液性的同时表现出优异的稳定性，被认为是解决恶劣环境下超疏水表面失效的潜在方案。超滑移表面的稳定性取决于润滑层的稳定性。然而由于润滑层液态的性质，当处于外界动态条件下，润滑层的流失不可避免。因此，增加润滑层的稳定性是当前超滑移表面研究的热点和难点，也是超滑移表面大范围长期稳定应用中亟待解决的关键问题。增加润滑层的稳定性可以从加强与结构基底之间的相互作用、选择合适的润滑油-工作液体对、以及对润滑油进行及时补给等方面予以考虑。基于以上思路，本论文的研究旨在提高超滑移表面的稳定性，从超滑移表面的组成入手，通过表界面调控制备性能稳定的超滑移表面，并探究了超滑移表面在不同领域中的应用性能。主要研究内容和结果如下：1. 从强化润滑层与结构基底之间的相互作用入手，通过聚合方法在纳米结构基底上附着一层聚离子凝胶膜，利用毛细力、化学键力和分子间引力三重作用将润滑层稳定地束缚在结构基底上，得到了具有高稳定性的超滑移表面。该超滑移表面在经受了极端温度、剪切作用和腐蚀后仍显示出优异的稳定性，并且在遭受弯曲损伤后，仍具有良好的耐腐蚀性能。此外，该超滑移表面中聚离子凝胶膜能够经受至少40次的循环使用。同时，还探究了该超滑移表面在染料吸附方面的应用性能。凭借优异的温度稳定性，抗剪切性和抗腐蚀性能，该超滑移表面在恶劣环境中仍具有良好的适用性。2. 从对润滑油进行补给方面入手，采用简单的一步溶剂蒸发聚合法制备了超薄透明的润滑油自补给超滑移表面。借助溶剂四氢呋喃的挥发，一层有油滴嵌入的聚二甲基硅氧烷（PDMS）凝胶膜附着在载玻片上，得到了可循环利用的润滑油自补给的超滑移表面。探究了压力刺激下润滑油的自补给机理，以及不同润滑油含量的超滑移表面的滑移性能以及可循环利用的次数。此外，还从雾水收集的三个阶段分析了不同硅油含量的超滑移表面的雾水收集方式和集水性能。通过对比经过和没有经过压力刺激润滑油自补给的超滑移表面在雾水收集时的集水性能和使用寿命，证明了由于表面润滑层的持续补给，具有压力刺激的润滑油自补给超滑移表面不仅提升了集水性能，还延长了使用寿命。2. 从对润滑油进行补给方面入手，采用简单的一步溶剂蒸发聚合法制备了超薄透明的润滑油自补给超滑移表面。借助溶剂四氢呋喃的挥发，一层有油滴嵌入的聚二甲基硅氧烷（PDMS）凝胶膜附着在载玻片上，得到了可循环利用的润滑油自补给的超滑移表面。探究了压力刺激下润滑油的自补给机理，以及不同润滑油含量的超滑移表面的滑移性能以及可循环利用的次数。此外，还从雾水收集的三个阶段分析了不同硅油含量的超滑移表面的雾水收集方式和集水性能。通过对比经过和没有经过压力刺激润滑油自补给的超滑移表面在雾水收集时的集水性能和使用寿命，证明了由于表面润滑层的持续补给，具有压力刺激的润滑油自补给超滑移表面不仅提升了集水性能，还延长了使用寿命。3. 从探究超滑移表面在摩擦纳米发电机（TENG）的应用入手，将不同溶液浓度的聚四氟乙烯（PTFE）纳米颗粒涂覆到不同结构的铝片表面上，并且灌注不同厚度的全氟聚醚（PFPE）润滑油形成超滑移表面，将其组装成TENG器件以探究PTFE浓度、结构基底和润滑油厚度对滑移性能和摩擦电信号的影响。结果表明，较高的PTFE浓度、平坦的结构基底的超滑移表面经受了高剪切作用后仍具有优异的滑移性能，而较高的PTFE浓度、平坦的结构基底和较薄的润滑油厚度有利于TENG的电信号输出。通过模拟海洋低温、高湿度的环境以及对其进行划痕破坏对比研究了基于疏水表面和超滑移表面的TENG输出性能。结果表明，基于超滑移表面的TENG由于表面润滑层的存在，显著提高了TENG在恶劣环境下的输出稳定性和耐久性。此外，还通过对乙二醇和不同浓度的NaCl溶液作为液体摩擦材料的TENG输出响应进行分析，证实了本工作中所组装的基于疏水表面和超滑移表面的TENG的摩擦起电行为均受电子转移的主导。 |
| Other Abstract | 无 |
| MOST Discipline Catalogue | 工学 |
| Pages | 137 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/30047 |
| Collection | 羰基合成与选择氧化国家重点实验室（OSSO） |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 陈奕. 仿生超滑移表面 的制备 及其性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2022. |
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