納米液滴撞擊柱狀固體表面動態行為的分子動力學模擬*

潘伶 張昊 林國斌

(福州大學機械工程及自動化學院, 福州 350108)

液滴撞擊固體表面是一種廣泛存在于工農業生產中的現象.隨著微納技術的發展, 納米液滴撞擊行為的定量描述有待完善.采用分子動力學模擬納米水滴撞擊柱狀粗糙銅固體表面的動態行為.分別在液滴速度為2—15 ?/ps, 五種方柱高度和六種固體表面特征能的情況下分析液滴的動態特征.結果表明, 隨著液滴初始速度V0的增加, 其最終穩定狀態先由Cassie態(V0 = 2—3 ?/ps)轉變為Wenzel態(V0 = 4—10 ?/ps), 然后再次呈現Cassie態(V0 = 11—13 ?/ps).當V0 > 13 ?/ps時, 液滴發生彈跳.液滴最大鋪展時間tmax與V0關系曲線中存在拐點, 并針對不同速度區域提出tmax與V0的關系式.隨著方柱高度的增加, 液滴的穩定狀態由Wenzel向Cassie態轉變, 液滴穩定狀態的鋪展半徑逐漸減小.固體表面特征能εs的增大使得液滴的鋪展能力增強, 液滴鋪展后的回縮現象逐漸減弱直至消失.

1 引 言

液滴撞擊固體表面的現象在工農業生產生活中廣泛存在, 如噴墨打印[1]、農藥噴灑[2]、噴霧冷卻[3]和生物打印[4]等.液滴撞擊固體表面的動態過程主要受到液滴速度、液滴成分和固體表面潤濕特性等的影響[5].固體表面潤濕性能的差異主要由接觸角θ體現.不同的表面可以實現自清潔[6]、防止結冰[7]和霧水收集[8]等功能.

大量試驗展示了宏觀液滴撞擊固體表面的動態行為, 并將動態過程大致分為撞擊、鋪展、回縮、彈跳或停留[9?11]四個階段.Gu等[12]使用激光-電化學沉積的方法制備微納復合結構的超疏水銅表面, 對液滴撞擊下C……