关键词：
微米结构
液滴
界面润湿
定向输运
表面张力
摘要：
液滴作为液体的离散相是界面润湿行为调控的基本单元,在流体机械、油水分离以及微流控等领域广泛应用。近年来,随着精密微米加工技术的显著进步,微电子机械系统（MEMS）的出现开辟了传统机械在微尺度领域的新的研究热点。在微尺度条件下,液体表面张力对液滴润湿、运动及热质传递等行为的影响显著增强,固液界面相互作用成为影响微电子机械系统运行性能的重要因素。因此,实现液滴界面润湿行为与输运特性的精准调控对提升微电子机械系统运行效率及提高相关工业生产能效具有重要意义。基于此背景,本课题系统地开展了微米结构表面液滴界面润湿行为和定向输运特性的研究,主要内容包括:单元微米结构表面液滴界面同向润湿行为、微槽结构表面液滴界面异向润湿行为、微槽结构表面液滴定向临界滑移特性、锥形结构表面液滴定向自输运特性。本文探究了单元微圆锥、圆台和球体结构表面液滴界面同向润湿行为,通过构建微结构表面液滴润湿体系自由能计算模型,研究了在1μL液滴半径尺度（R0=0.62 mm）限定条件下,微结构表面的几何特征与固有润湿性参数对液滴稳态浸没深度的影响规律,同时构建了微圆锥与圆台结构表面液滴稳态润湿分布图。研究发现,液滴稳态浸没深度与微圆锥亲水表面顶部夹角、微圆台亲/疏水表面顶部圆直径以及微球体亲/疏水表面半径参数之间为单调关系,而与微圆锥疏水表面顶部夹角以及微圆台亲/疏水表面顶部夹角参数之间为非单调关系。在相同的表面几何参数条件下,液滴稳态浸没深度随表面亲水润湿性的增强而增大。此外,在微圆锥、圆台、球体亲水表面（θY=30°）与疏水表面（θY=160°）,其中特别地,球体亲水表面的液滴接触线位于上半球体位置,接触线张力会促使液滴接触线向上收缩滑移;在微球体亲水表面,当液滴接触线位于下半球体位置时,接触线张力会促使液滴接触线向下润湿铺展。本文还探究了平行微槽结构疏水表面（WR/WG≈0.5和1,θY=117.52°）液滴界面异向润湿行为,基于液滴表观接触角、槽宽与肋宽等参数构建了描述液滴底部界面长宽比与无量纲近似面积特征以及润湿体系无量纲自由能的经验关联式,揭示了上述参数与液滴异向润湿特征以及润湿稳定性的相关性及相关程度。结果表明,微槽结构表面液滴在平行槽向的润湿铺展性能强于垂直槽向,并且在相同的液滴体积条件下,液滴垂直槽向的接触角和底部界面宽度主要受到微槽结构表面几何参数的影响,而液滴平行槽向的接触角和底部界面宽度则主要与微槽结构表面固有润湿性有关。液滴表观接触角与液滴底部界面长宽比参数之间的相关性较弱,而液滴平行槽向的接触角与液滴底部界面无量纲近似面积之间的相关性较强;肋槽宽度比则与液滴润湿体系无量纲自由能为负相关关系,当液滴底部固液界面的相对面积越大时,体系自由能越小,液滴的Cassie润湿态越加稳定。在上述微槽结构表面液滴界面异向润湿特征的研究基础上,本文进一步探究了液滴（V=7μL～39μL）沿平行槽向的定向临界滑移行为。通过考虑微槽结构表面液滴接触线的离散分布特征,构建了平行槽向的液滴滑移阻力计算模型,基于阻力模型计算得到的受重力驱动的液滴临界滑移角与实验结果吻合,两者之间的相对偏差小于10%。此外,研究还发现在相同的液滴体积条件下,液滴固液界面的垂直槽向宽度越大时,液滴沿平行槽向的滑移阻力以及临界滑移角越大,基于此,本文提出了液滴三相接触线无量纲有效长度用于表征微槽结构特征对液滴接触线分布长度的影响,其与液滴临界滑移角之间存在近似线性的正相关关系（R2>0.95）,可以用于定性比较相同体积液滴在不同润湿状态下的定向临界滑移性能。不同于液滴在微槽结构表面受重力驱动的被动式定向输运行为,本文还探究了液滴在锥形结构表面（2φ≈5°）受曲率梯度驱动的逆重力定向自输运行为。本文通过“抛物线形”近似描述液滴自输运终态位置的气液界面形貌特征,基于“抛物线形”描述方程以及力平衡关系构建的液滴自输运终态高度计算模型具有较高的计算准确度,与实验结果的相对偏差小于20%,同时,基于“抛物线形”描述方程计算得到的液滴润湿体系自由能与Surface Evolver模拟结果的相对偏差小于15%。在相同的自输运高度位置,体积以及表面张力越小的液滴,其逆重力自输运速度相对越大,而液滴初始位置的高度差异对液滴自输运速度的影响较小。此外,本文以递减型驱动力、重力与粘附阻力构建的自输运经验动力学平衡关系,可以获得与液滴实验自输运速度沿程变化规律一致性较高的计算结果。基于上述研究基础,本文设计了“锥体-套管”组合装置应用于水中油滴的定向自输运与分离,同时实现水上油层的受限堆积与自导出。通过本文的研究,进一步阐明了微结构表面几何参数与固有润湿性对液滴稳态界面同向与异向润湿行为的影响机制,揭示了平行微槽结构表面与锥形结构表面液滴定向输运动力学机理,为提升液滴操控的可控性与高效性指明方向,为发展和设计制造具
