研究综述丨基于多功能表面的液滴撞击研究进展

引用本文：刘瑞, 陈璞, 牛喻樱, 等. 基于多功能表面的液滴撞击研究进展[J]. 空气动力学学报, 2026, 44(2): 1−21. 

DOI:  10.7638/kqdlxxb-2024.0193

 研究背景 

液滴撞击现象广泛存在于喷墨打印、农药喷洒、喷雾冷却、防冰除冰等众多领域。随着高速摄像技术和表面制备技术的飞速发展，人们对液滴撞击动力学的研究已从单一功能表面（如超疏水/超亲水）拓展至更加先进的多功能表面。这类表面因具备各向异性特征，可在液滴撞击过程中诱导出定向位移、自裂、自旋转等丰富而独特的动力学行为，为液滴的精准操控开辟了全新途径。本文系统梳理了基于多功能表面的液滴撞击研究进展，为相关领域的表面设计与应用提供了理论支持与技术指导。

 研究创新点 

本文基于表面特性将多功能表面归纳为四类，并深入探讨了每类表面上液滴的独特动力学现象及其力学机理：

1）化学改性多功能表面

通过印刷、化学蚀刻、激光蚀刻等方式在超疏水基底上修饰亲水或超亲水图案，形成润湿性差异。液滴撞击时，固-液-气三相线上的非对称力诱导出定向迁移、自分裂和自旋转等现象。调控参数包括图案几何对称性、润湿性对比度、特征尺寸及韦伯数。

2）拓扑结构调节多功能表面

通过引入非对称微观结构（如密度梯度、脊状结构、环状结构）打破液滴回缩过程中的受力平衡，实现定向运输、自裂减触及动量重定向。核心调控参数包括结构几何形状、尺寸比例、分布密度及韦伯数。

图3   液滴撞击同心圆槽阵列结构表面后的液滴精准操纵

图4   液滴被表面结构击破发生自裂现象

^{图5   液滴撞击突起包围环状结构表面：(a)环状表面结构示意图；(b)液滴撞击环状结构表面产生的液滴飞溅；(c)数值模拟液滴撞击过程图}

3）宏观特殊形状多功能表面

利用表面曲率等宏观几何特征改变液滴铺展的边界条件，诱导对称性破缺、环状脱离等行为，如锥面刺穿、曲面反弹等。此类表面更易制备，适应更多工业环境。

4）外场耦合多功能表面

引入磁场、热场、电场等外部能量，实现对液滴动力学行为的主动调控，可同时实现更多功能，满足更广泛的工业需求。

图7   液滴撞击磁响应毛发阵列表面

^{图8   液滴撞击处于热场中的不同间距的微柱表面}

 研究结论 

通过对四类多功能表面上液滴撞击行为的系统分析，可得出以下结论：

1）化学改性表面通过润湿性图案设计引入三相线非对称力，实现了液滴的定向迁移、自分裂与自旋转，其运动方向与速度可通过图案对称性、润湿性对比及韦伯数精确调控。

2）微观拓扑结构调节表面利用非对称结构打破液滴回缩受力平衡，显著缩短接触时间（最多减少约50%），并诱导定向反弹与动量重定向，在防冰、自清洁等领域具有重要应用价值。

3）宏观特殊形状表面通过表面曲率改变液滴铺展的几何边界，诱导对称性破缺与环状脱离，丰富了液滴操控的手段。

4）外场耦合表面引入外部能量场（磁、热、电），实现对液滴动力学行为的主动调控，可同时实现多种功能，为复杂环境下的液滴操控提供了新思路。

这些表面通过精确设计，可对液滴铺展、回缩及反弹全过程进行精准调控，从而拓展其在防冰除冰、分析物检测、能量收集等领域的应用潜力。

图9   液滴撞击润湿性图案化表面实现多种检测同时进行

^{图10   液滴撞击后精准操控实现防冰}

 未来展望 

尽管多功能表面在液滴操控方面已取得显著进展，但仍面临制备工艺复杂、预测精度不足、多场耦合机制不清等挑战。未来研究可从以下方向展开：

1）智能化与集成化：结合微纳制造技术，开发可根据环境变化（温度、湿度、pH值）自适应调整润湿性或拓扑结构的智能表面，实现更精准的液滴控制。

2）多物理场耦合机制的深入揭示：发展多场耦合实验平台与数值模拟方法，系统研究电场-温度场、磁场-流场等协同作用下液滴的动力学行为。

3）从单一液滴向多液滴/液滴群行为拓展：关注喷雾冷却、喷墨打印等实际应用中多液滴连续撞击、液滴间相互作用等复杂过程，探索多功能表面在群体液滴调控中的潜力。