基于压力超疏水表面润湿性调控技术及对微通道界面阻力影响的研究

Aim to adjust and control fluid movement in microchannel in its special condition, themicrostructure　and gas transport microchannel are etched on silicon base in microscale by reactive ion etched technique. Superhydrophobic surface on above specimens is prepared by self-assembled monolayer technique. Liquid and gas microchannels in microscale are machined on PDMS bases. Microchannel component with superhydrophobic base surface is prepared by bonding method. The wettibility of superhydrophobic surface is adjusted by changing the contact of liquid on superhydrophobic surface with gas pressure adjustment. Test table and measurement system to evaluate the characteristics of fluid movement are set up. Interface slip and drag in different solid/liquid interfaces are analysed by velocity measurement of fluid with μ-PIV in various working conditions. The interface slip and characteristics of fluid movement in microchannel are theoretically expounded by molecular dynamics, mesoscopic numerical simulation and computational fluid dynamics. Fluid and gas microchannels and their connected mode are optimized. The design rules of microchannel with controlled fluid movement are proposed. After above research, the adjusting and controlling techniques for wettibility on superhydrophbic surface are improved, and their application in the control of fluid movement in microchannel is accelerated. Finally, the theories and techniques for microfluidic design, manufacturing and application are supplied.

本项目针对微通道中流体运动的特定条件，以实现微通道内流体运动可调控为研究目标。采用反应刻蚀技术在硅基体上刻蚀加工微米尺度的微结构和气体通道，采用自组装技术对加工构件进行改性，构建超疏水表面。在PDMS基底上加工微米尺度液体微通道和气体微通道，采用键合的方法制备具有超疏水底面的微通道构件，通过调节气体压力，改变液体在超疏水表面的接触形式，调控超疏水表面的润湿性。搭建微通道中流体运动特性测试实验台和测试系统，改变工况条件，通过μ-PIV测试流体的运动速度，评价不同固液界面的滑移和阻力特性。分别采用分子动力学、介观数值模拟和流体动力学数值模拟的方法对界面滑移和微通道中流体的运动特性进行分析，优化气体微通道和液体微通道及其连接方式的设计，建立具有可调控流体运动微通道设计的准则。以此完善超疏水表面润湿性调控技术及其在微通道中流体运动控制中的应用，为微流体系统的设计、制造及应用提供理论依据和技术支持。

微通道中流体的运动是微流体系统可靠、有效地实现特定功能的关键，由于微通道的长度尺度处于微米/纳米尺度，因此，表面力对微通道中流体的运动具有主导作用。本项目针对微通道中流体运动的特定条件，以实现微通道内流体运动可调控为研究目标。.项目中利用激光加工和自组装分子膜技术制备了润湿性不同的壁面，提出了用两侧空泡动态接触角比值表征一侧壁面润湿性的新方法，基于压力法，静态接触角为122°和131°的通孔壁面实现了强疏水和弱疏水之间的可逆调控，静态接触角为143°和155°的通孔壁面实现了超疏水和疏水之间的可逆调控；.利用组装的方法制备了具有微肋板结构且肋板高度可调控的表面，利用自组装分子膜技术对表面进行低表面能修饰，利用机械式调控方法改变疏水/超疏水表面微肋板高度，实现116.2°~151.4°范围内表面润湿性调控；.在Si基底上借助激光加工和化学涂覆技术，获得具有不同润湿性壁面的微通道。采用μ-PIV技术，测试发现了疏水壁面处均存在明显的滑移速度，且壁面疏水性越强，滑移速度和滑移长度越大。当两侧壁面均为疏水壁面时，一侧壁面疏水性的提高可以增加另一侧壁面疏水性对整体减阻效果的影响，但迫使另一侧疏水壁面的滑移速度减小。.基于耗散粒子动力学研究了粒子间以近程相斥、远程相吸作用形式达到平衡流动时，边界滑移速度和微通道的壁面润湿性对流体流动过程的影响，发现在疏水表面，滑移速度与固液作用参数成线性关系，随固液作用参数的增大而线性减小。而在亲水表面，边界滑移速度几乎不随固液作用参数的变化而变化。.此外，还采用计算流体动力学的方法研究表面几何结构对疏水/超疏水表面上的界面滑移特性的影响，研究了采用反应离子刻蚀技术和自组装技术制备的疏水/超疏水硅表面、采用激光加工技术和自组装技术制备的Ti6Al4V疏水/超疏水表面上液滴的撞击接触特性。.超疏水表面润湿性调控技术及其在微通道中流体运动控制的应用，为微流体系统的设计、制造及应用提供比较坚实的理论依据和技术支持。