潘伶 张昊 林国斌

(福州大学机械工程及自动化学院, 福州 350108)

液滴撞击固体表面是一种广泛存在于工农业生产中的现象.随着微纳技术的发展, 纳米液滴撞击行为的定量描述有待完善.采用分子动力学模拟纳米水滴撞击柱状粗糙铜固体表面的动态行为.分别在液滴速度为2—15 Å/ps, 五种方柱高度和六种固体表面特征能的情况下分析液滴的动态特征.结果表明, 随着液滴初始速度V0的增加, 其最终稳定状态先由Cassie态(V0 = 2—3 Å/ps)转变为Wenzel态(V0 = 4—10 Å/ps), 然后再次呈现Cassie态(V0 = 11—13 Å/ps).当V0 > 13 Å/ps时, 液滴发生弹跳.液滴最大铺展时间tmax与V0关系曲线中存在拐点, 并针对不同速度区域提出tmax与V0的关系式.随着方柱高度的增加, 液滴的稳定状态由Wenzel向Cassie态转变, 液滴稳定状态的铺展半径逐渐减小.固体表面特征能εs的增大使得液滴的铺展能力增强, 液滴铺展后的回缩现象逐渐减弱直至消失.

1 引 言

液滴撞击固体表面的现象在工农业生产生活中广泛存在, 如喷墨打印[1]、农药喷洒[2]、喷雾冷却[3]和生物打印[4]等.液滴撞击固体表面的动态过程主要受到液滴速度、液滴成分和固体表面润湿特性等的影响[5].固体表面润湿性能的差异主要由接触角θ体现.不同的表面可以实现自清洁[6]、防止结冰[7]和雾水收集[8]等功能.

大量试验展示了宏观液滴撞击固体表面的动态行为, 并将动态过程大致分为撞击、铺展、回缩、弹跳或停留[9−11]四个阶段.Gu等[12]使用激光-电化学沉积的方法制备微纳复合结构的超疏水铜表面, 对液滴撞击下C……