荷叶表界面微结构特征及液滴撞击动力学实验研究_罗宁.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 1 期Vol 42 No12023 年 1 月Jan 2023DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 01 014荷叶表界面微结构特征及液滴撞击动力学实验研究罗宁a，b，屈喆a，蔡其金a，彭维红a，b，董纪伟a，b(中国矿业大学 a 力学与土木工程学院;b 应用力学研究生课程思政教学研究示范中心，江苏 徐州 221116)摘要:针对荷叶面超疏水现象及液滴碰撞界面的现象开展了相关力学实验研究。该研究基于显微镜、3D 轮廓扫描仪等光学测试技术，在自主搭建了液体撞击高速摄影实验平台进行了液滴碰撞荷叶界面的动态力学实验。实验研究表明:荷叶表界面结构从中心区域向边缘区域微观乳突结构分布密集、平均高度、粗糙度、接触角角度等从内向外依次呈现减少趋势;当水滴从 30 cm 高度自由滴落至荷叶表面从中心区域向边缘区域，中心区域水滴首先呈现飞溅-汇聚-成球，依次向外呈现部分水滴形成星状飞溅、后收缩且不完全弹起或弹起部分在空中形成不规则形状，水滴在中心区域相比较边缘区域反弹高度低于中间区域，中间区域接触角略高于边缘区域等特征。关键词:荷叶界面特征;界面疏水效应;液滴碰撞;3D 轮廓扫描技术;高速摄影中图分类号:O 552 4/TB 306文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)01 0069 06Experimental Study on Microstructural Characteristics ofLotus Leaf Surface and Droplet Impact DynamicsLUO Ninga，b，QU Zhea，CAI Qijina，PENG Weihonga，b，DONG Jiweia，b(a School of Mechanics and Civil Engineering;b Demonstration Center of Ideological andPolitical Teaching esearch of Applied Mechanics Graduate Course，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，Jiangsu，China)Abstract:Based on optical testing techniques such as metallography microscope and 3D profile scanner，and combinedwith the self-built high-speed photography experimental platform of liquid impact，mechanical experiments are carriedout to study the phenomenon of superhydrophobic surface of lotus leaf and the phenomenon of droplet collision interfaceThe results show that the microstructure of the interface structure of the leaf surface is densely distributed from the centerarea to the edge area，and the average height，roughness and contact angle decrease from the inside to the outsideWhen water droplets drop freely to the surface of lotus leaves from a height of 30 cm from the center area to the edgearea，the water droplets in the center area first appear to splash，converge and form a ball，and then outward in turn，part of the water droplets form a star-shaped splash，and then shrink and bounce incompletely，or the bounce part formsan irregular shape in the air Compared with the edge area，the rebound height of water droplets in the center area islower than that in the middle area The contact angle of the middle region is slightly higher than that of the edge regionKey words:interface characteristics of lotus leaf;interface hydrophobic effect;droplet collision;3D contour scanningtechnology;high speed photographic system收稿日期:2022-05-06基金项目:国家自然科学基金项目(12072363);江苏省教育科学“十四五”规划课题(D/2021/01/02);中国矿业大学教学研究重点项目(2020ZD02);中国高等教育学会专项课题(21SZYB06);中国矿业大学力学与土木工程学院教改课题(LXYM202112)作者简介:罗宁(1980 )，男，安徽淮北人，教授，从事力学教学和冲击动力学相关研究。Tel:18305201191;E-mail:nluo cumt edu cn第 42 卷0引言荷叶界面的超疏水现象很早就被人们注意到，早在 20 世纪 90 年代，德国科学家 Barthlott 和 Neinhuis对以荷叶为代表的上百种植物进行观察，并给出了荷叶表面存在微小突起及荷叶表面覆盖有蜡质晶体管簇荷叶的超疏水现象两点解释1-2。生活中如雨伞、建筑屋外墙等用的超疏水材料并不少见3-4，目前大部分超疏水材料的制备是通过仿造具有超疏水性质的植物表面微观结构，溶胶-凝胶法是常用的制备超疏水薄膜的方法5-6，都与之息息相关。另一方面，研究发现类荷叶表面疏水结构性质，水滴在超疏水表面表现出自由滚动的性质，该性质使得荷叶具有自清洁能力，同时研究还发现叶表微观形貌是决定荷叶疏水性的主要原因，揭示了荷叶界面的超疏水性质与这些微米级乳突体有密不可分的内在联系7-8。然而，对液滴动态碰撞荷叶界面动态演化过程鲜有研究，基于前人研究的基础，本文针对荷叶界面的超疏水性质，采用显微镜观测、3D 轮廓扫描测量观察荷叶界面微观形貌特征，并自主搭建液体撞击高速摄影实验平台进行液滴碰撞荷叶界面动态力学实验研究，以揭示荷叶表界面动态超疏水机理特征。1基本理论及研究思路上荷叶表界面并不是理想光滑的，而是存在一定的粗糙结构，这些粗糙结构导致了液体表观接触角与理论接触角的差异，前人揭示了荷叶界面的超疏水性质与这些微米级乳突体有密不可分的内在联系，图 1所示为典型荷叶表面的乳突结构1-2。对于粗糙结构的表面张力主要有 Wenzel、Cassie 和 Cassie-Baxter 3 种模型9-11，Wenzel 模型的液滴完全填满粗糙结构的空隙;Cassie 模型的液滴则完全悬浮于空隙之上;而Cassie-Baxter 模型的空隙呈复合相状态，固-液界面和固-气界面并存。(a)大量微小乳突体(b)单个乳突体图 1典型荷叶表面的乳突结构图 2 所示为液滴在平整表面上的静态接触角7，超疏水界面理论中通常认为物体表面接触角等于 0为完全润湿;接触角小于 90为润湿;接触角大于 90为不润湿;接触角等于 180为完全不润湿。其中超疏水是指接触角大于 150，具有这种性质的表面称为超疏水表面。根据杨氏润湿方程，液滴在理想平滑表面处于平衡状态时，其形态由固、液、气 3 个界面的界面张力决定，接触角 e与表面张力的关系为cos e=(SG SL)/LG(1)式中，SG、SL和 LG分别表示固-气，固-液和液-气 3 个界面的界面张力。图 2液滴在平整表面上的静态接触角本文研究的基本思路:采用显微镜对荷叶表面分区域由内向外，选取不同区间进行分部观测表征;通过 3D 轮廓扫描仪测量荷叶表面不同区域并由 V-5200 分析软件计算荷叶表面具体形貌参数;基于自主搭建的液体撞击摄影实验平台进行水滴滴落实验，通过高速动态记录水滴滴落过程，对水滴撞击荷叶不同表面的形态变化撞击动力学实验。2实验部分2.1实验仪器(1)显微镜。LW600LJT 型显微镜，上海测维光电技术有限公司，其最高倍率为 50 500 ，观察待测目标物体微观表界面的特征。(2)3D 轮廓测量仪。V-5200 型 3D 轮廓测量仪，基恩士，其主要由控制器、电源、摄像元件、投光镜头、受光镜头、载物台、照 明系统以及数据处理系统等组成。设备主机的参数:X 轴的行程为 184 mm;Z 轴的测量范围为 240 mm;X 及 Z 轴定位分辨率为 0.1m;垂直测量范围为 0 300 m;载物台的最大承重为 4.5 kg。此外，该设备具有实现图像拼接功能，能够进一步增加样品测量的尺度;通过激光扫描待测物体获得物体表面三维结构数据。(3)自主搭建液体撞击高速摄影实验平台。本文搭建的液体撞击摄影实验平台示意图如图 3 所示，主要由约克 V611 高速动态摄影机及液相微量进样器两图 3液体撞击摄影实验平台示意图07第 1 期罗宁，等:荷叶表界面微结构特征及液滴撞击动力学实验研究部分构成，试验过程中控制水滴以 200 L/min 速度滴落，一滴水质量约为 0.049 g;高速摄影采用以 30 000fps 的拍摄速度记录水滴碰撞荷叶表界面全过程，并开展液滴动态变形演化分析研究。2.2实验材料本实验所选用的材料如图 4 所示大小适中的 3 组夏荷叶(新鲜荷叶展平固定后自然阴干)，以荷叶中心为0 cm 至边缘25 cm，每5 cm 长度为间隔，进行标度。图 5 所示为荷叶叶面不同区域制备图，图 5(a)(e)分别在 0、5、10、15、20 cm 处切割较为光滑平整的荷叶叶面 4.5 cm 1.5 cm 并固定在载玻片上，其中:A1、A2、A3、A4、A5分别为 0 5 cm、5 10 cm、10 15 cm、15 20 cm、20 25 cm 的区域，实验组号为 H-1、H-2、H-3。图 4夏荷叶(a)A1(b)A2(c)A3(d)A4(e)A5图 5荷叶叶面不同区域制备图2.3实验方法本实验采用的试验过程方案如下:第 1 步选用已制备的荷叶试样，通过液相微量进样器控制水滴体积，利用躺滴法连续测量多组数据，得出水滴在荷叶表面的静态接触角(见表 1)。第 2 步用显微镜观察荷叶表面结构:选用已制备的荷叶试样，区域划分从中心到边缘;调整显微镜焦距，在 50 、100 、250 、500 倍率下清晰观察每个试样的微观表面。第 3 步用 3D 轮廓扫描仪扫描并记录荷叶表面形貌参数:选用已制备的荷叶试样进行扫描，通过 V-5200 软件进行数据分析。第 4 步用自主搭建液体撞击高速摄影实验平台进行水滴碰撞表界面实验:选用已制备的荷叶试样;将水滴微量进样器的滴水针管固定于 30 cm 高度的固定夹上;移动相机位置，调整焦距，确保画面中的水滴轮廓清晰，通过高速动态摄影机以 30 000 fps 的拍摄速度记录水滴碰撞荷叶表面全过程;为了减少随机性，每个试样进行