电场诱导下介电质表面织构的减阻机理研究

Voltage-based microfluidic controlling system has wide application prospects in the field of military affairs, aviation and aerospace, and information safety. However, the high actuation voltage has become a key technology difficulty to restrict the further development of this microfluidic controlling system. The research aim is to reduce the actuation voltage through manufacturing texture on the dielectric surface that weakens the adhesion and friction force of the solid-liquid interface. The drag reduction mechanism of the dielectric surface texture under electric field will be investigated systematically in this work. Firstly, the coupling interactions between the microfluidic volume and parameters of the texture will be investigated using a high-speed camera to find out the parametric combination by which the “embedding effect” will most hardly occur under electric field. Secondly, the equivalent capacitance under electric field will be studied using a dielectric constant tester and the relationship among equivalent capacitance, interfacial adhesion and friction will be revealed. Subsequently, a theoretical model of texture-electric field-interfacial friction will be established. Finally, based on theoretical model and numerical analysis, the evolution of interfacial friction and the drag reduction mechanism of dielectric surface texture under electric field will be revealed. In summary, the proposed research effort is helpful to overcome the bottle-neck of reducing the high actuation voltage. It can also contribute to the fundamental theory of interfacial adhesion and friction under electric field.

电控微流体技术在军事、航天航空以及信息安全等领域具有广阔的应用前景，但驱动电压高已成为该技术从实验室走向应用的关键技术瓶颈。本项目拟通过对介电质表面进行织构设计以降低微液滴/介电质界面的粘附力和摩擦力，并系统研究电场诱导下介电质表面织构的减阻机理，最终实现微流体的低电压驱动。首先，本项目拟采用高速摄像仪研究电场诱导下微液滴体积与织构参数的协同效应，寻求电场作用下最难发生嵌入效应的液滴体积和织构参数组合；然后，使用介电常数测试仪研究液滴与织构表面间等效电容在电场下的变化趋势，揭示等效电容与固液界面粘附和摩擦行为的关系，建立表面织构特征-电场-界面摩擦耦合理论模型；最后，结合理论模型和数值分析，阐明电场诱导下固液界面摩擦演变过程及织构的减阻机理。该项目研究不仅有望突破微液滴低电压驱动的技术瓶颈，还能为电场下固液界面粘附和摩擦行为的基础理论做出贡献。

微流体控制系统可将生物或化学实验室微缩到一块只有几平方厘米的薄片上，实现常规化学或生物实验室的各种功能。电控微流体技术是最具有发展前途的微流体驱动技术之一。然而，电控微流体技术仍面临驱动电压高，以及由高驱动电压导致的高能耗、接触角饱和、介电质发热、电解等一系列问题，严重制约了该技术的进一步发展。因此，降低驱动电压已成为该方法突破技术瓶颈，从实验室走向应用的关键因素。介电质/微液滴界面是电控微流体系统中最关键的固液界面。因此，通过表面织构设计降低固液界面摩擦，成为解决电控微流体技术驱动电压高一种极具潜力的途径。本项目通过研究电场下固液界面的摩擦机理并用于降低微液滴在固体表面的驱动电压。. 本项目从以下四个方面对电场下介电质表面织构的减阻机理进行了研究。a)电场下界面黏附力和针扎力对固液界面摩擦性能的影响研究；b)电场下微织构设计实现微液滴的定向驱动机理研究；c)电场下固液界面粘滑现象及机理研究；d)电场下超疏水表面的界面摩擦行为研究。.研究结果表明，电场诱导下的固液界面摩擦与微液滴在固体表面的针扎力和黏附力相关，通过控制表面粗糙度可以控制固液界面针扎力，通过调节材料表面属性可以调节黏附力，从而有效降低电场下固液界面摩擦；此外，微液滴在电场下饱和之前会出现随机跳动。这种跳动现象是由于表面微凸体的分布不均匀导致固液界面受力不平衡而产生；通过表面微织构设计可以控制固液界面力的分布方向，实现微液滴在电场下的定向驱动；微液滴在电场下驱动时会发生粘滑现象，通过增加电压加载速率可以有效降低固液界面粘滑现象；微液滴在超疏水表面的动态摩擦行为与微液滴体积、滑动速度、电场力的类型相关，通过施加交流电可以有效降低由于润湿状态导致的微液滴嵌入情况，从而降低固液界面摩擦。. 在青年基金的支持下，发表期刊论文6篇，SCI检索5篇，EI检索1篇，申请专利8项，授权3项，获得绵阳市优秀学术论文奖一等奖1次。