本发明涉及液滴驱动领域，尤其涉及一种能够在较低韦伯数下实现液滴超快回弹的凹槽状超疏水圆锥台阵列表面。
背景技术：
在自然界中，许多动植物表面都具有拒水性质，研究发现，这样的特殊性质得益于其表面微结构。例如，荷叶表面的绒毛和微小的蜡质颗粒使得荷叶表面具有超疏水特性。受此启发，研究员通过在材料表面加工出特殊的微纳复合结构使其具有疏水性，当液滴撞击到这些疏水表面时，能实现液滴回弹，从而达到自清洁、防结冰等目的。在液滴回弹过程中，一般经历扩散和回缩两个阶段，davidquéré等人发现，在超疏水刚性平面上，液滴的接触时间主要由液滴的惯性力决定，受瑞利极限影响值的限制而很难减小。liu等人发现，液滴在撞击具有特定尺寸的微结构表面时，由于毛细力的作用发生饼状回弹，其接触时间能够缩短约80％。然而此前的研究大多是在平基底上进行的，在液滴的弹跳过程中，液滴都会保持对称形态，而且能够实现饼状回弹所需的液滴初始动能要求较高。而在实际应用中，大多数的表面都具有一定的凹凸性。
技术实现要素：
本发明针对在平面超疏水圆锥台阵列表面进行液滴弹跳实验时，液滴要在较高韦伯数下才能发生快速回弹的弊端，提出了一种实现液滴快速回弹的凹槽状超疏水锥形阵列表面。
本发明的技术方案如下：
本发明包括两级微结构超疏水柔性薄膜和半圆型凹槽状底座，两级微结构超疏水柔性薄膜以粘贴的方式连接在半圆型凹槽状底座的半圆型凹槽表面，两级微结构超疏水柔性薄膜包括由圆锥台阵列构成的一级微结构和由二氧化钛纳米颗粒构成的二级微结构，一级微结构贴附在半圆型凹槽状底座的半圆型凹槽表面上，一级微结构的表面上附着有二级微结构。
所述的一级微结构的材质为聚二甲基硅氧烷pdms或硅橡胶ecoflex，二级微结构是二氧化钛颗粒、无水乙醇和十八烷基三甲氧基硅烷制成悬浊液后通过旋涂制得。
所述的二级微结构的尺寸远小于一级微结构中的圆锥台尺寸。
所述的半圆型凹槽状底座的材质为树脂。
所述的两级微结构超疏水柔性薄膜的厚度t＝100μm-200μm。
所述的半圆型凹槽状底座通过三维绘图软件solidworks进行结构建模，并使用桌面级立体光刻3d打印机formlabsform2打印制得。
通过调控所述的半圆型凹槽状底座的曲率实现两级微结构超疏水柔性薄膜表面对液滴接触时间的主动控制。
本发明的有益效果在于：
1)相比于光滑凹槽状超疏水表面约10ms的液滴回弹接触时间，半圆型凹槽状圆锥台阵列结构表面可以实现更加快速的液滴回弹，其接触时间减少至3ms，减少70％。
2)相比于刚性平基底超疏水圆锥台阵列表面需要在韦伯数大于25的情况下实现液滴快速回弹，半圆型凹槽状圆锥台阵列结构表面只需在韦伯数大于15的情况下就能实现液滴的快速回弹，韦伯数范围减小约40％。
3)相比于刚性平基底超疏水圆锥台阵列表面，采用更大的锥形阵列密度，能够在liu等人的液滴接触时间为3.4ms的基础上，再将液滴的接触时间减少至3ms，减少约18％。
4)本发明通过3d打印技术和模板法所制备的凹槽状超疏水圆锥台阵列表面，具有制备工艺简单、绿色环保、无毒害等特点。
附图说明
图1为凹槽状超疏水圆锥台阵列表面的结构示意图；
图2为液滴撞击在半圆型凹槽表面的两级微结构超疏水柔性薄膜表面的过程的俯视图；
图3为液滴撞击两级微结构超疏水柔性薄膜的过程演变图。图3(a)为液滴在韦伯数(
图4为不同曲率下液滴弹跳时间与韦伯数的关系图。
图中，1两级微结构超疏水柔性薄膜，2半圆型凹槽状底座，3液滴中心，4液滴边缘。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的具体实施方式进一步解释说明。
如图1所示，本发明包括两级微结构超疏水柔性薄膜1和半圆型凹槽状底座2，两级微结构超疏水柔性薄膜1通过树脂型硅橡胶专用强力接着剂988以粘贴的方式连接在半圆型凹槽状底座2的半圆型凹槽表面。两级微结构超疏水柔性薄膜1的厚度t＝100μm-200μm。两级微结构超疏水柔性薄膜1包括由圆锥台阵列构成的一级微结构和由二氧化钛纳米颗粒构成的二级微结构，一级微结构贴附在半圆型凹槽状底座2的半圆型凹槽表面上，一级微结构的表面上附着有二级微结构，二级微结构的尺寸小于一级微结构中的圆锥台尺寸。圆锥台阵列的圆锥台底部间距sp＝50μm，顶部直径dp＝10μm，底部直径dv＝100μm，圆锥台高度h＝400μm。
具体实施中，一级微结构的材质为聚二甲基硅氧烷polydimethylsiloxane，简称pdms或硅橡胶ecoflex，二级微结构是二氧化钛颗粒、无水乙醇和十八烷基三甲氧基硅烷制成悬浊液后通过旋涂法制得。
具体实施的半圆型凹槽状底座2的材质为树脂，半圆型凹槽状底座2通过三维绘图软件solidworks进行结构建模，并使用桌面级立体光刻3d打印机formlabsform2打印制得。半圆型凹槽状底座2的直径为6cm、7cm、8cm、9cm或10cm。不同曲率的半圆型凹槽状底座2会影响液滴撞击两级微结构超疏水柔性薄膜1表面后液滴内部的动量分布，从而实现对液滴接触时间的主动控制。
液滴撞击在半圆型凹槽状超疏水圆锥台阵列表面的过程，具体如下：
当液滴撞击半圆型凹槽表面的两级微结构超疏水柔性薄膜1表面时的撞击动力学遵循能量守恒定律，液滴撞击过程中的能量守恒方程为：
es ek＝ek' es' ead(1)
其中，ek为液滴撞击表面的初始动能，es为液滴接触表面的初始表面能，ek'为液滴离开表面时的动能，es'为液滴离开表面时的表面能，ead为液滴撞击过程中的能量耗散，与其他能量相比，ead的能量所占比较小。
液滴撞击在半圆型凹槽表面的两级微结构超疏水柔性薄膜1表面时，液滴的动能储存在两级微结构超疏水柔性薄膜1表面所形成的毛细力中，而在液滴滴落到两级微结构超疏水柔性薄膜1表面且液滴速度降低为0之后，储存在两级微结构超疏水柔性薄膜1所形成的毛细力转化为动能推动液滴离开两级微结构超疏水柔性薄膜1表面，而实现液滴回弹的条件在于液滴离开两级微结构超疏水柔性薄膜1表面时的动能ek'≥0，因此可得实现液滴回弹的关系式：
es ek-es'-ead≥0(2)
首先液滴的初始表面能es只与液滴本身有关；其次ead在整个系统中所占比例很小，这里可以先做忽略。半圆型凹槽状底座2的半圆型凹槽状结构能实现更低韦伯数下的回弹，主要是当液滴撞击两级微结构超疏水柔性薄膜1表面时所需的初始动能更小。原因分析如下：
液滴表面能主要由表面积的大小决定，如图3(a)所示，在液滴离开平基底表面时，液滴呈现饼状，可以近似看成扁圆柱状，其厚度较小。如图3(b)所示，在液滴离开半圆型凹槽状结构表面时，短轴方向x的液滴趋近于初始直径长度，可以近似看成长圆柱状，厚度较大。不难推算，相同体积的液体，液滴的高度越高，其表面积越小，因此此时的表面能(es')凹≤(es')平，可以得出要使公式(2)成立，需要(ek)凹≤(ek)平，即凹槽状结构需要的初始动能更小，韦伯数的要求更小。
而液滴撞击在半圆型凹槽表面的两级微结构超疏水柔性薄膜表面后，造成(es')凹≤(es')平的原因是：如图3(b)和3(c)所示，液滴撞击在两级微结构超疏水柔性薄膜1表面后，由于半圆型凹槽状底座2的半圆型凹槽状结构的影响，使得液滴的动量分布不均衡，导致液滴撞击在两级微结构超疏水柔性薄膜1表面后呈椭圆形，在椭圆的长轴方向y上动量较大，而在短轴方向x动量较小，椭圆的长轴方向y沿半圆型凹槽的延伸方向，椭圆的短轴方向x与椭圆的长轴方向y垂直。
如图2所示，液滴撞击在半圆型凹槽表面的两级微结构超疏水柔性薄膜表面后的扩散过程主要由惯性支配，而液滴回弹过程中的动量分布不均匀性，使得短轴方向上的液滴开始收缩时，液滴的表面张力能量被转化为垂直方向上的动能，并进而带动长轴方向上的液滴一起回缩起跳，此时液滴中心3有较大的驱动力，且液滴边缘4惯性较小。而在平基底的表面，如图3(a)所示，由于回缩的对称性，弹跳所需的较大驱动力与边缘较小的惯性相互矛盾，因为液滴中心的减小会导致液滴边缘质量的增加。因此液滴撞击在半圆型凹槽表面的两级微结构超疏水柔性薄膜表面比液滴撞击在平基底超疏水圆锥台阵列表面能实现超快回弹，且液滴在半圆型凹槽表面的两级微结构超疏水柔性薄膜表面需要的初始动能更小，韦伯数的要求也更小。
为了量化半圆型凹槽结构的曲率对液滴回弹的影响，如图4所示，为不同曲率下液滴接触时间与韦伯数的关系。从图中可知，在较低韦伯数下，相较于平基底超疏水圆锥台阵列表面，本发明所制备的表面能够明显减小液滴接触时间；并且发现在相同的韦伯数下，凹槽的曲率越小，接触时间越小。能实现液滴超快回弹的韦伯数限制，随着曲率的减小也随之减小，与平基底超疏水圆锥台阵列表面相比，直径为6cm的凹槽状表面能在韦伯数约为16的情况下发生超快回弹，其接触时间约为3ms，韦伯数减小约40％。相同韦伯数下与平基底表面相比，接触时间减小约82％。
下面是两级微结构超疏水柔性薄膜1的制备方法，包括以下步骤：
1)在刚性平基底上用pdms制备具有圆锥台阵列的一级微结构。
2)将二氧化钛纳米颗粒与无水乙醇混合制成悬浮液，然后向悬浮液加入十八烷基三甲氧基硅烷(tmos)，再通过超声波处理，得到二氧化钛旋涂液。
3)将一级微结构粘附在载玻片上，并将载玻片另一面吸附在旋涂机的吸盘上，用二氧化钛旋涂液进行旋涂，旋涂后用镊子将制得的初始的超疏水柔性薄膜取出放在恒温台上进行固化。
4)多次重复步骤3)后得到符合要求的具有两级微结构的超疏水锥形阵列薄膜1。
其中，一级微结构的制备方法为：
ⅰ)将20ml的聚二甲基硅氧烷(pdms)预聚体与交联剂滴加至离心管中，预聚体与交联剂的质量比为5:1；然后搅拌均匀得到混合液以备用；其中，pdms的预聚体，可采用商品名为sylgardtm184siliconeelastomerbase的硅树脂弹性体基底；交联剂可采用商品名为sylgardtm184siliconeelastomercuringagent的硅树脂弹性体固化剂。
ⅱ)将搅拌后的混合液放入真空干燥箱中抽真空30min。
ⅲ)将抽完真空后的混合液取出，并倒至带有微孔结构的模板上，得到带有pdms的模板，然后在旋涂机上，以转速为600r/min转15s，接着将带有pdms的模板放入真空干燥箱内抽真空15min后取出。
ⅳ)抽完真空后，将带有pdms的模板放入80℃的鼓风干燥箱内固化2h。
ⅴ)将固化好的带有pdms的模板中的pdms从模板上剥离，制得符合要求的一级微结构。
二级微纳级结构的制备方法为：
将二氧化钛纳米颗粒与无水乙醇混合制成悬浮液，并向其中加入十八烷基三甲氧基硅烷(tmos)，然后在常温和超声频率为50～100hz的条件下，超声处理2h，得到二氧化钛旋涂液；其中，二氧化钛的质量与无水乙醇的体积比为0.01g：1ml，十八烷基三甲氧基硅烷与无水乙醇的体积比为0.01：1。
1.一种实现液滴回弹的凹槽状超疏水圆锥台阵列表面，其特征在于：包括两级微结构超疏水柔性薄膜(1)和半圆型凹槽状底座(2)，两级微结构超疏水柔性薄膜(1)以粘贴的方式连接在半圆型凹槽状底座(2)的半圆型凹槽表面，两级微结构超疏水柔性薄膜(1)包括由圆锥台阵列构成的一级微结构和由二氧化钛纳米颗粒构成的二级微结构，一级微结构贴附在半圆型凹槽状底座(2)的半圆型凹槽表面上，一级微结构的表面上附着有二级微结构。
2.根据权利要求1所述的一种实现液滴回弹的凹槽状超疏水圆锥台阵列表面，其特征在于：所述的一级微结构的材质为聚二甲基硅氧烷pdms或硅橡胶ecoflex，二级微结构是二氧化钛颗粒、无水乙醇和十八烷基三甲氧基硅烷制成悬浊液后通过旋涂制得。
3.根据权利要求1所述的一种实现液滴回弹的凹槽状超疏水圆锥台阵列表面，其特征在于：所述的所述的二级微结构的尺寸是一级微结构中圆锥台尺寸的万分之一。
4.根据权利要求1所述的一种实现液滴回弹的凹槽状超疏水圆锥台阵列表面，其特征在于：所述的半圆型凹槽状底座(2)的材质为树脂。
5.根据权利要求1所述的一种实现液滴回弹的凹槽状超疏水圆锥台阵列表面，其特征在于：所述的两级微结构超疏水柔性薄膜(1)的厚度t＝100μm-200μm。
6.根据权利要求1所述的一种低韦伯数下实现液滴超快回弹的凹槽状超疏水圆锥台阵列表面，其特征在于：通过调控所述的半圆型凹槽状底座(2)的半圆型凹槽的曲率实现对液滴接触时间的主动控制。
技术总结