一种基于微结构表面的液滴输运方法

本发明属于功能表面制造、界面流体调控，尤其适用于航空飞行器表面冷凝液预排出、防除冰、换热设备自清洁、喷雾冷却、微流体定向输送等场景，具体涉及一种无外场驱动的液滴定向输运方法。

背景技术：

1、飞行器高空低温环境下，雨滴、冷凝液撞击蒙皮后极易滞留结冰，现有除冰方案多依靠电热、热气主动加热，能耗大；若能实现撞击液滴自主定向排出，可从源头抑制冰层生成。当前液滴定向输运技术分为两类：

2、（1）外场驱动方案：电场、磁场、温度梯度、机械振动驱动液滴移动，需要配套电源、加热、振动机构，设备复杂、能耗高，航空轻量化场景难以适配；

3、（2）纯微结构被动方案：单层斜沟槽、棘轮型非对称纹理，仅依靠单一几何不对称产生微弱侧向力。高速液滴撞击时易发生液膜破碎、卫星液滴飞溅，大量动能耗散；且沟槽与基材界面黏附力大，液滴回缩幅度不足，仅能发生局部偏移，无法实现长距离整体定向移动。

4、现有技术仅单独设计微结构或单独做疏水改性，未将二者协同耦合，更未利用多层嵌套三角结构放大液滴回缩相位差，高速撞击工况下液滴滞留、运动方向不可控的行业痛点长期无法解决。

5、现有少量单一三角沟槽微结构仅单层排布，无法放大回缩相位差；同时现有疏水微结构仅简单涂层，未与多层嵌套三角几何耦合，均无法在高速液滴撞击下实现稳定无外场定向输运。

技术实现思路

1、本发明克服现有液滴输运依赖外部驱动、高速撞击下易破碎滞留、定向移动效果差的缺陷，提供一种基于嵌套三角微结构表面的液滴输运方法，仅依靠液滴自身撞击与毛细回缩能量，无需电场、磁场、温度梯度等外场，实现液滴稳定可控定向输运，适配航空防除冰、冷凝排液等工程场景。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明涉及一种基于微结构表面的液滴输运方法，包括基材预处理、微沟槽构建、表面低能改性、液滴撞击工序，依靠多层嵌套三角微结构差异化接触线阻力实现无外场液滴定向输运，具体步骤为：

4、步骤（a），基材预处理：提供基材1，对基材1待加工表面清洗干燥，获得洁净加工表面；

5、步骤（b），方向性微结构构建：采用飞秒激光在基材1的表面制备至少一组嵌套三角微结构单元2；其中，嵌套三角微结构单元2包括多层同向嵌套的等腰直角三角形微沟槽3，相邻三角形微沟槽3之间形成三角形脊部4；

6、步骤（c），表面低能化处理：采用低表面能改性剂对三角形微沟槽3、三角形脊部4全域修饰，形成低表面能功能层5，得到方向性疏水微结构表面6；

7、步骤（d），液滴撞击：控制待输运液滴7以预设韦伯数撞击嵌套三角微结构单元2的中心，液滴惯性铺展形成液膜；

8、步骤（e），定向输运：嵌套三角微结构单元2对液滴两侧三相接触线产生差异化钉扎阻力，液滴发生非同步回缩，生成沿三角预设方向的净切向动量，驱动液滴整体位移。

9、所述多层等腰直角三角微沟槽3与全域低表面能功能层5配合，共同产生净切向输运动量，二者缺一不可。

10、优选地，步骤（b）中，所述三角形微沟槽3的内角分别为 45°、45°、90°；相邻沟槽特征间距为 200μm～800μm，所述三角形脊部4的顶部宽度为30μm～200μm。

11、优选地，步骤（b）中，所述飞秒激光的参数为：脉冲宽度为100 fs～500 fs，重复频率为100 khz～1000 khz，平均功率为5 w～30 w，扫描速度为5 mm/s～100 mm/s；所述基材1为7075铝合金、钛合金、不锈钢或镍基合金。

12、优选地，步骤（c）中，所述低表面能改性剂由无水乙醇99份、硅烷 1份配置而成；其中硅烷为fas-17全氟硅烷；所述表面低能化处理具体为：将表面有嵌套三角微结构单元2的基材1在50～70℃温度下浸泡8～24 h，然后100～150℃温度下加热固化 1～4 h。

13、优选地，步骤（d）中，所述待输运液滴7为水滴，体积为3μl～8μl，撞击韦伯数为 30～110；撞击落点位于嵌套三角微结构单元2几何中心。

14、优选地，步骤（c）中，所述方向性疏水微结构表面6的静态水接触角 110°～165°；步骤（d）中，液滴撞击、回缩过程环境温度控制在15℃～35℃。

15、优选地，该方法是通过调节沟槽间距、脊部宽度、液滴撞击速度满足输运条件：液滴铺展后具备充足回缩幅度、无大面积液膜破裂、两侧毛细恢复力无法完全抵消。

16、优选地，该方法采用高速成像装置9记录液滴运动全过程，采集帧率 2000 fps～20000 fps，通过铺展因子、回缩时长、液滴质心位移评判输运效果。

17、优选地，步骤（d）中，所述待输运液滴7沿嵌套三角微结构单元2的角平分线、直角边或斜边投影方向定向移动。

18、优选地，该方法应用于航空飞行器防除冰、换热设备冷凝液自排出、材料表面自清洁、喷雾冷却、微流体定向输送场景。

19、本发明的核心技术：

20、（1）多层同向嵌套等腰直角三角微结构（结构创新）

21、采用多层等腰直角三角由外向内同向嵌套排布，直角边、斜边沟槽对液滴三相接触线形成差异化钉扎阻力；多层嵌套逐级放大两侧接触线退钉扎时序差，稳定生成单向净切向毛细力，区别于现有单层不对称沟槽，解决高速撞击下液滴仅局部偏移、无整体位移问题。

22、（2）微几何沟槽 + 全域低表面能改性协同耦合（协同机理创新）

23、对三角形微沟槽3、三角形脊部4全域覆盖低表面能功能层5：低能层降低固液黏附，保证液滴充足回缩幅度；嵌套三角微结构提供差异化钉扎阻滞，二者缺一不可。仅疏水无微结构则液滴各向回缩力抵消、原地反弹；仅有沟槽无疏水涂层则黏附过大、液体残留，二者协同实现纯被动无外场定向输运。

24、（3）撞击铺展 - 非同步回缩动量整流机理（工程调控创新）

25、利用液滴撞击惯性铺展后，第一接触线区域 19、第二接触线区域20发生非同步回缩，将表面张力转化为沿预设输运方向18的定向平动动量；建立沟槽间距、脊宽、液滴韦伯数、表面接触角多参数调控体系，搭配高速成像装置9量化检测，解决高速撞击下液滴破碎、随机滞留、输运方向不可控难题。

26、本发明具有以下优点：

27、（1）无任何外场驱动，省去液滴释放装置10、温控、加热、振动配套设备，轻量化低能耗，适配无人机、民航飞行器等航空轻量化防除冰需求；

28、（2）多层嵌套三角结构放大接触线回缩相位差，高韦伯数高速撞击工况下，仍可避免液膜 8飞溅、液体残留，实现长距离稳定定向排液，从源头减少表面凝冰；

29、（3）三角形微沟槽3与三角形脊部 4全域包覆低表面能功能层 5，兼顾低黏附回缩能力与几何定向阻滞效果，单一结构无法实现二者协同，产生预料不到的定向输运效果；

30、（4）飞秒激光可直接在航空金属基材 1表面加工，工艺兼容，参数可调，适配冷凝换热、自清洁、微流体多领域；

31、（5）整套测试系统由高速成像装置9、温度控制平台11、密闭测试箱12、干燥气体供给装置13组成，可标准化量化评价液滴铺展、回缩、位移全过程，工程落地性强。

32、（6）本发明将多层同向嵌套三角微几何、全域低黏附疏水层、撞击动量整流机理三者耦合，单一结构均无法实现高速无外场液滴稳定输运，产生预料不到的复合技术优势。