Skip to main content
SUPERVISOR
Nili ahmadabadi Mehdi,Farshid Chini
مهدی نیلی احمدآبادی (استاد راهنما) سید فرشید چینی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Mohammad reza Fazaeli
محمدرضا فضائلی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395

TITLE

Numerical and Experimental Analysis of The Roughness Distribution Effect on The Contact Angle for Superhydrophobic Surfaces
Nowadays, the importance of nanotechnology is not overlooked. One of the interesting topics related to this area is the superhydrophobic surfaces that are in the category of surface engineering science. A drop of water on these types of surfaces has a contact angle of more than 150 degrees. The superhydrophobicity of the surface was first detected by observing the non-wettability of the lotus leaf. For this property, the surfaces should have two main characteristics, one of which is the low surface energy in the solid phase, liquid, and gas interface, which is dependent on the genus and molecular structure of the surface, and the other, the presence of nanometric roughness is covered on the solid surface. In this research, by simulating molecular dynamics using the LAMMPS molecular software, the effect of geometric roughness parameters on the contact angle and consequently, hydrophobicity of the surface has been investigated. For this purpose, the water nanodrop has been modeled on the smooth and rough surface of titanium dioxide, and its contact angle has been obtained. The roughness on the surface has been simulated and analyzed in two-dimensional shape (grooves) and three-dimensional (pillars) in a rectangular shape with different geometric parameters. The simulation results indicate that the existence of roughness increases the contact angle, compared to the smooth surface. Also, with an increase in the roughness height up to 17.754 Angstroms, the contact angle of the water on the surface and, consequently, the surface superhydrophobicity increases, and after this height, there is no significant impact on the increase in angles. In addition, the higher surface fraction (up to 36%) results in more contact angles. Comparison of the results of the analysis of roughened and grooved surfaces showed that the three-dimensional roughness causes more superhydrophobicity of the surface, and in the case of grooves, although the surface fraction is increased, but decreases the contact angle of the droplet, which is consistent with the experimental results. In addition to analyzing the contact angle in all cases, by analyzing of energy changes of the system and the number of hydrogen bonds of nanodrop, the amount of supehydrophbicity and stability of the simulated systems have also been studied. In addition to numerical analysis of molecular dynamics in this study, some experiments were used to investigate the effect of roughness and surface sex on the contact angle of the superhydrophobic surface. For this purpose, by using a thermal spraying method, metallic oxide nanoparticles made of zinc oxide, manganese oxide, and aluminum oxide with organic and inorganic precursors have been synthesized and metal surfaces made of stainless steel, galvanized steel, and copper have been coated. Then, the coated surfaces have been sintered and at each stage of these processes, the contact angle changes of the water droplet on the surfaces due to the geometric structure and the coated roughness profile, measured, and the parameters affecting superhydrophobicity of the surface in the thermal spraying method have been determined. The most important result obtained is that by sintering process, the surface energy can be reduced and the structure of the roughness on the surface can be changed and the superhydrophilic surface becomes superhydrophobic surface, So that the contact angle of the water droplet on the surface of the non-coated steel was 75.65 °, coated by the manganese oxide nanoparticles, and then sintering process, reached 151.44 degrees (about 100% increase in contact angles). Also, by sintering, the durability of coatings on surfaces is increased due to the surface cleanliness from the carbon impurities caused by the combustion coating process. Keywords: Superhydrophobic surface, Contact angle, MD simulation, Coating, Sintering
: امروزه، اهمیت فناوری نانو بر کسی پوشیده نیست. یکی از مباحث جذاب مرتبط با این حوزه، سطوح فوق آبگریز است که در دسته ی علم مهندسی سطح قرار گرفته است. قطره ی آب روی این نوع سطوح، زاویه ی تماس بیشتر از 150 درجه را دارا می باشد. خاصیت فوق آبگریزی سطح، ابتدا با مشاهده ی ویژگی عدم ترشوندگی برگ نیلوفر آبی، کشف شد. سطوح، برای داشتن چنین خاصیتی می بایست دو ویژگی اصلی را داشته باشند که یکی، انرژی سطح پایین در فصل مشترک سه فاز جامد، مایع، و گاز است که وابسته به جنس و ساختار مولکولی سطح بوده، و دیگری، وجود زبری هایی در ابعاد بسیار کوچک نانومتری است که روی سطح جامد را پوشانده اند. در این پژوهش، به کمک شبیه سازی دینامیک مولکولی با استفاده از نرم افزار مولکولی لمپس، اثر پارامترهای هندسی زبری ها بر زاویه ی تماس و درنتیجه، فوق آبگریزی سطح، بررسی شده است. برای این منظور، نانوقطره ی آب بر سطوح صاف و زبرشده از جنس اکسید تیتانیوم، مدل سازی شده و زاویه ی تماس آن بدست آمده است. زبری های روی سطح، به صورت دو بعدی (شیار کشیده شده در یک راستای جانبی) و سه بعدی (زبرشده در هر دو راستای جانبی) به شکل مستطیل و با پارامترهای هندسی مختلف، مورد شبیه سازی و تحلیل قرار گرفته اند. نتایج شبیه سازی، بیانگر آنست که ایجاد زبری ها سبب افزایش زاویه ی تماس، نسبت به سطح صاف می شود. همچنین، با افزایش ارتفاع زبری تا مقدار 17.754 آنگستروم، زاویه ی تماس نانوقطره ی آب روی سطح، و درنتیجه، فوق آبگریزی سطح، بیشتر می شود و بعد از این ارتفاع، تاثیر چندانی روی افزایش زاویه ی تماس ندارد. به علاوه، هرچه نسبت سطح زبرشده به کل سطح، بیشتر شود (تا نسبت 36 درصد)، زاویه ی تماس افزایش می یابد. مقایسه ی نتایج حاصل از تحلیل سطوح زبرشده و شیاردار، نشان داد که زبری های سه بعدی، سبب فوق آبگریزی بیشتر سطح می شوند و زبری های دو بعدی (شیارها)، با اینکه نسبت سطح زبرشده به سطح کل بیشتری دارند، اما کاهش زاویه ی تماس قطره را سبب می شوند که با نتایج تجربی نیز تطابق دارد. به جز تحلیل زاویه ی تماس در تمامی حالات، به کمک تحلیل انرژی آزاد سیستم و همچنین پیوندهای هیدروژنی، میزان فوق آبگریزی و پایداری سیستم های مدل سازی شده نیز مورد بررسی قرار گرفته اند. علاوه بر تحلیل عددی دینامیک مولکولی در این پژوهش، برای بررسی اثر زبری و جنس سطح بر زاویه ی تماس سطح فوق آبگریز، از آزمایش تجربی نیز استفاده شده است. برای این کار، به کمک روش پاشش حرارتی، نانوذرات اکسید فلزی از جنس اکسید روی، اکسید منگنز، و اکسید آلومینیوم با پیش ماده های آلی و معدنی، سنتز شده و سطوح فلزی از جنس فولاد زنگ نزن، گالوانیزه، و مس را پوشش داده اند. سپس، سطوح پوشش داده شده، تحت عملیات حرارتی تف جوشی نیز قرار گرفته و در هر مرحله از این فرایندها، تغییرات زاویه ی تماس قطره ی آب روی سطوح که بر اثر تغییر ساختار هندسی و جنس زبری های پوشش داده شده، حاصل می شود، اندازه گیری شده و پارامترهای تاثیرگذار روی فوق آبگریزی سطح در روش پاشش حرارتی، مشخص شده اند. مهم ترین نتیجه ای که بدست آمد، آنست که به کمک فرایند تف جوشی، می توان انرژی سطح را کاهش و ساختار زبری های روی سطح را تغییر داده و سطح فوق آبدوست را به فوق آبگریز تبدیل کرد؛ بطوریکه زاویه ی تماس قطره ی آب که روی سطح بدون پوشش از جنس فولاد زنگ نزن، 75.65 درجه بود، به کمک پوشش دهی توسط نانوذرات اکسید منگنز و سپس، فرایند تف جوشی، به 151.44 درجه رسید (حدود 100 درصد افزایش زاویه تماس). بدین ترتیب، بدون افزودن ماده ی اصلاح کننده ی دیگری به عنوان کاهنده ی انرژی سطح و تنها به کمک فرایند تف جوشی، می توان سطح را فوق آبگریز کرد. همچنین، به کمک تف جوشی، دوام پوشش های روی سطوح، به دلیل تمیز شدن سطح از ناخالصی های کربنی ناشی از فرایند پوشش دهی احتراقی، افزایش می یابد. کلمات کلیدی: سطح فوق آبگریز، زاویه تماس، شبیه سازی دینامیک مولکولی، پوشش دهی، تف جوشی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی