微结构超疏水表面液滴的运动性质

超疏水表面一般是指接触角大于150°, 运动角(或滚动角)小于5°的固体表面, 其在基础研究和现实应用方面存在巨大价值. 通过光刻技术和自组装膜技术制备了最大接触角为172°, 最小运动角为2°的超疏水表面. 研究了Cassie状态液滴的运动角与微结构表面参数之间的关系, 发现运动角与微结构高度无关, 但随着微结构间距的增加而减小, 随着微结构边长的增加而增加. 通过比较Cassie状态、混合状态液滴运动角的大小, 认为液滴运动角的大小由后接触线的状态决定, 而与最外缘三相接触线内的固液接触状态、前接触线状态无关.     

羽毛状超疏水性银纳米涂层的制备与表征

以铜为基底制得羽毛状银纳米涂层, 该纳米涂层具有优异的超疏水性能, 水滴在其表面的接触角和滚动角分别为154°~156°和4°. 扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和接触角测量仪分别研究银纳米涂层的形貌、晶体构型及其超疏水性. 银纳米涂层的形貌及疏水性与 硝酸银的浓度及反应时间有关. 用Wenzel和Cassie理论对该涂层的超疏水性进行了理论分析.     

压力作用下Cassie状态的热力学稳定性

维持Cassie状态在压力作用下的稳定性在超疏水材料的实际应用中极其重要.通过将超疏水界面中的液-气界面部分规范为具有自适应性的曲面,建立了柱状阵列微结构的超疏水界面模型,研究了压力作用下Cassie状态的热力学稳定性.结果表明,由于微凸起结构之间悬挂液面能量的不同,Cassie状态有基态、低能态和高能态3种形式;压力驱动Cassie状态由基态向高能态转变过程中界面能量的升高会形成界面能量势垒,这一能量势垒决定了Cassie状态的热力学稳定性并阻碍Cassie状态向过渡态转变.界面能量势垒由前进接触角和界面中固-液接触面积分数决定,因此低表面能物质、分级结构、较低的固-液接触面积分数均可提高界面能量势垒,维持Cassie状态的稳定性.细化微结构尺寸能够降低Cassie状态的界面自由能,从而避免高能Cassie状态的出现和崩溃.     

基于BGK方法的液滴静态和动态特性

采用BGK方法对液滴在疏水表面上的静态和动态特性进行了研究,通过数值模拟发现对于带有微结构的疏水表面,在保持非浸润状态的基础上,固体面积分数越小(即微结构间距越大),表观接触角越大,表面越疏水,但是较小的固体面积分数会使液滴非浸润状态变得不稳定.当表面具有微-纳二级结构时,不仅会增加表面的疏水性,使液滴具有较大的表观接触角,而且会使液滴的Cassie状态更稳定.当液滴下落到超疏水表面时,数值计算发现液滴将经过多次反弹、变形,最终静止在超疏水表面上,这与实验现象吻合.当相同尺寸的液滴从同一高度下落到具有相同表面自由能的超疏水表面时,与平超疏水表面相比,具有微/纳结构的超疏水表面将增加液滴的反弹高度;对于平超疏水表面,表面自由能越小,液滴的反弹高度越大,因此液滴的反弹高度依赖于液滴在表面的表观接触角.     

X52管线钢仿生超疏水表面的制备

采用喷砂毛化处理、化学刻蚀和氟化处理复合法在X52管线钢表面成功地制备了超疏水表面.十七氟癸基三乙氧基硅烷(HFTTMS)对其表面进行低能化修饰.研究了化学刻蚀液浓度、化学刻蚀时间对管线钢表面形貌及表面与水的润湿行为的影响.结果表明,在一定的盐酸浓度下,随着化学刻蚀时间的延长,管线钢表面与水的接触角增大;然而当化学刻蚀时间过长,管线钢表面与盐酸反应过久,表面微结构的复杂程度减小,接触角将减小.随盐酸浓度的升高,管线钢表面与盐酸反应变得剧烈,表面微观形貌变得复杂,分形维数增大.当盐酸浓度过高时,表面微细凸起结构又被腐蚀掉,导致表面复杂程度降低,分形维数下降,与水的接触角随之减小.试样在7 mol/L的盐酸中刻蚀1.5 h后,喷砂毛化管线钢表面能获得最佳的表面复合结构,经氟化处理后,与水接触角为156.4°,获得良好的超疏水性.     

黄斑大蚊的喜湿性及其翅膀、腿表面的超疏水性

黄斑大蚊的翅膀、腿表面有很好的超疏水性, 水滴在其表面的静态接触角分别为150°,155°, 滚动角接近5°, 通过扫描电子显微镜观察发现, 在黄斑大蚊的翅膀、腿表面分布有大量呈规则排列的微纳米级复合凹槽、乳突, 复合结构及其表面的低表面能物质的协同作用使其表面具有良好的超疏水性, 这一特性使黄斑大蚊能在潮湿的环境中自由生存. 本文用 Cassie 理论对这种超疏水性进行了理论分析.     

超疏水表面形貌效应的研究进展

超疏水表面具有较好的疏水特性并且与水的接触角大于150°, 本文对超疏水表面疏水原因的理论分析和常用的制备方法做了较详细的总结, 介绍了微观形貌在疏水表面制备和减阻实验中的应用, 并提出目前有关超疏水表面仍未解决的问题, 最后对它的发展方向和前景进行了预测.     

X52管线钢仿生超疏水表面的制备简

采用喷砂毛化处理、化学刻蚀和氟化处理复合法在X52管线钢表面成功地制备了超疏水表面. 十七氟癸基三乙氧基硅烷（HFTTMS）对其表面进行低能化修饰. 研究了化学刻蚀液浓度、化学刻蚀时间对管线钢表面形貌及表面与水的润湿行为的影响. 结果表明,在一定的盐酸浓度下,随着化学刻蚀时间的延长,管线钢表面与水的接触角增大;然而当化学刻蚀时间过长,管线钢表面与盐酸反应过久,表面微结构的复杂程度减小,接触角将减小. 随盐酸浓度的升高,管线钢表面与盐酸反应变得剧烈,表面微观形貌变得复杂,分形维数增大. 当盐酸浓度过高时,表面微细凸起结构又被腐蚀掉,导致表面复杂程度降低,分形维数下降,与水的接触角随之减小. 试样在7 mol/L的盐酸中刻蚀1.5 h后,喷砂毛化管线钢表面能获得最佳的表面复合结构,经氟化处理后,与水接触角为156.4°,获得良好的超疏水性.     

蝴蝶翅膀表面非光滑形态疏水机理

利用扫描电子显微镜和视频光学接触角测量仪, 对我国东北地区典型常见的6科24属29种蝴蝶翅膀非光滑表面的形态、疏水性及疏水机理进行了研究. 鳞片表面由亚微米级纵肋及横向连接组成, 鳞片间距为48~91 μm, 长为65~150 μm, 宽为35~70 μm. 鳞片上亚微米级纵肋间距为1.06~2.74 μm, 高为200~900 nm, 宽为200~840 nm. 蝴蝶翅膀表面较强的疏水性(静态接触角136.3°~156.6°)是翅膀表面微米级鳞片和亚微米级纵肋结构协同作用的结果. 对Cassie方程进行了修正, 建立了新的数学模型及方程.     

倾斜超疏水管外滴状冷凝液滴特性的可视化

含不凝气的混合蒸汽冷凝广泛存在于化工、石油、电力和海水淡化等领域.在空气环境下超疏水表面具有较大的接触角,有可能实现冷凝强化传热的目的.但在纯蒸汽冷凝环境中,液滴会完全润湿超疏水表面的微纳结构,使表面的超疏水性"失效".而在含不凝气的混合蒸汽冷凝过程中,若不凝气充满超疏水表面的微纳结构,液滴呈Cassie或过渡态润湿模式,保持或部分保持表面的超疏水特性.对于倾斜表面,冷凝液滴的脱落直径和冲刷周期都会发生变化,进而影响冷凝传热.因此,深入认识混合蒸汽在不同倾斜角的超疏水竖管表面上的冷凝特性,分析液滴的运动特性,对探究冷凝机理和研发先进强化传热技术有重要意义.本文利用氧化刻蚀-自组装的方法制备了紫铜管超疏水表面,系统地研究了不同倾斜角度时混合蒸汽冷凝过程中液滴的接触角滞后、临界脱落直径以及冲刷周期,并与纯蒸汽、疏水表面的情况进行了对比.结果表明,在铜管顶部(沿铜管圆周方向),超疏水表面冷凝时接触角滞后小于疏水表面,而在铜管中部和底部超疏水表面的接触角滞后则较大;在超疏水表面条件下,液滴的脱落直径随着倾斜角度的增加而增大;冷凝液对超疏水表面的冲刷周期均大于疏水表面,且随着倾斜角增加,冲刷周期略有减小.     

激光加工制备仿芦苇叶结构的超疏水表面

仿芦苇叶结构的超疏水表面在抗结冰、自清洁等领域有着重要的应用.但是,目前仍缺乏一种简单制备仿芦苇叶微纳米结构的方法.本文采用激光烧蚀手段制备基于聚二甲基硅氧烷的具有仿芦苇叶结构超疏水表面.激光烧蚀处理具有微光栅结构的聚二甲基硅氧烷,高能量激光作用时可以烧蚀出次级微纳结构,提高表面粗糙度,其浸润性各向异性明显,沿着垂直方向测量的接触角(～155°)比平行方向测量的接触角(～150°)大,达到超疏水,且沿着垂直方向测量的滚动角(～3°)比平行方向测量的接触角(～12°)小.本方法为激光制备仿生结构超疏水表面提供了新思路.     

基于腹色蜉复眼防水汽机理的仿生功能表面

研究了腹色蜉复眼表面的防水汽功能,利用扫描电子显微镜(SEM)及激光共聚焦显微镜(CLSM)表征了其表面结构,在此基础上借助Cassie模型解释了其防水汽机理.利用激光干涉光刻技术(LIL)及胶体刻蚀技术(CL)制备了人工腹色蜉复眼表面并进一步研究了其表面防水功能,同时讨论了其防水功能的影响因素及作用规律.结果表明腹色蜉复眼表面本征接触角越大,小眼上下半径比越小,防水功能越强.特征尺寸为350 nm的类腹色蜉复眼结构优化表面其静态水接触角为160°±5°,滚动角约2°,呈超疏水状态,具有优良的防水、自洁功能.该研究旨在应用于新型防水、防雾材料表面的研发.     

夜蛾翅膀表面疏水性能的多元耦合机理分析

利用体式显微镜、扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱仪和接触角测量仪等测量分析仪器, 对东北地区常见的10种夜蛾翅膀表面形态、超微结构、成分和表面润湿性能进行了定性定量研究. 研究表明: 夜蛾翅膀表面覆盖有履瓦状排列的鳞片, 不同种类蛾的鳞片形态不同, 鳞片表面相间分布有近似平行的纵肋与凹槽结构, 鳞片主要由蛋白质和几丁质组成, 有鳞片和无鳞片时蛾翅膀表面的静态接触角存在很大差异, 分别为144.8°~152.9°和90.0°~115.9°. 利用Cassie模型建立了夜蛾翅膀表面润湿方程, 并进行了蛾翅膀表面疏水性能的多元耦合机理分析, 认为蛾翅膀表面的润湿性能是由其表面材料、形态和结构三个耦元共同耦合作用的结果.     

类水稻叶多尺度表面构筑与各向疏水性

采用高速电火花线切割加工方法与电刷镀工艺结合在铝合金表面构筑了类水稻叶多尺度层级结构表面.利用扫描电子显微镜(SEM)、激光共聚焦显微镜(LSCM)、X射线衍射仪(XRD)和接触角测量仪表征表面的形貌结构、物相组成和润湿特性.结果表明,电刷镀获得的双尺度(微-纳米)微观结构对表面疏水性起关键作用,而高速电火花线切割加工获得的规则排列亚毫米级槽棱结构进一步放大了其平槽方向表面的疏水性能,使其未经任何化学修饰即获得优异的超疏水特性,接触角可以达到151°,且展现平槽和垂槽方向不同的疏水特性.这一研究将对各向异性功能材料结合超疏水材料的应用起到一定的指导意义.     

飞秒激光诱导钛表面可控微纳结构用于水下气泡操纵

针对典型金属材料钛,利用自主搭建的飞秒激光振镜扫描加工系统,加工了具有特定形貌特征的多尺度微纳结构.在此基础上对多尺度微纳结构的可逆润湿性及水下气泡操纵特性进行了实验探究,并从微观界面化学的角度阐释了可逆润湿性的调谐机理.研究结果表明:在飞秒激光烧蚀挤压作用下,钛表面诱导的多尺度微纳结构对原始表面的润湿性具有放大效应,固液接触角减小,水下气泡接触角增大;在辅助加热条件下,固液接触角增大,水下气泡接触角同时减小,气泡在表面完全铺展;随后将超疏水表面置于紫外灯下曝光,多尺度微纳结构上的液体接触角又开始减小,并最终实现了超疏水到超亲水性以及水下超亲气到超疏气的可逆调谐.另外,液体接触角与水下气泡接触角的可逆调谐特性呈现相反的变化趋势,这与固液气三相接触线的移动机制密切相关.本文对实现钛表面微纳结构设计与调控,提高具有可逆润湿性的金属表面在水下气泡操纵与收集,以及污水处理等领域的应用都具有重要意义.     

划蝽后翅翅面的超疏水性

以生活在水中的昆虫划蝽为研究对象,发现在划蝽的腹部、背部及后翅面存在疏水、超疏水性,水滴在其后翅面的接触角达到159°,滚动角约为8°.结果显示,其腹部、背部及后翅面微纳米级阶层结构的存在是其形成疏水、超疏水性的关键因素,疏水、超疏水性能使其能在水中自由升降、正常呼吸或者当环境不利时飞离水面.用Cassie理论对其超疏水性机理进行了探讨与分析.     

通过简单的化学电沉积方法在工程材料表面构筑仿生超疏水表面

<正>中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室张招柱研究组,通过结合化学电沉积和自组织生长在铜表面构筑出仿荷叶超疏水表面.该疏水表面的接触角为(169±2)°,滚动角为(0±2)°.分析发现,该疏水表面具有羽毛状有序枝晶结构,银薄膜的厚度为10～30μm。     

超快激光制备超疏水超亲水表面及超疏水表面机械耐久性

近年来,受大自然的启发,具有特殊润湿性的仿生结构表面因其在日常生活和工业生产领域的广阔应用前景引起了研究者的广泛关注.同时,超快激光的快速发展为材料表面结构的加工提供了新的强大工具,在超疏水或超亲水表面结构的制备方面取得了一系列突出的成果.但迄今为止,已经商业化的超疏水表面仍然非常有限,其中关键的问题是超疏水表面的机械耐久性问题.本文基于超快激光加工方法,总结了仿生微纳结构制备和应用方面的最新研究进展,重点介绍了几种具有特殊润湿性的疏水和亲水表面结构,并对超疏水表面的机械耐久性问题及其测试方法进行了阐述和总结,最后讨论了该领域存在的一些问题及未来的发展方向.     

线性低密度聚乙烯涂层修饰ZnO亚微米棒膜的疏水性研究

采用低温水热法制备出ZnO亚微米棒薄膜, 经线性低密度聚乙烯涂层修饰后显示出超疏水性, 静态接触角为151.2° ± 2.3°, 滚动角为4°. ZnO亚微米棒膜的微结构和低表面能材料线性低密度聚乙烯涂层修饰是其显示超疏水性的原因, 并用Cassie理论对膜的润湿性进行了分析.     

微气流作用下多孔表面液滴动态润湿行为

基于对附加动量力场调控液滴润湿行为特性的创新性思考,通过可视化实验,利用多孔材料表面配合辅助微气流作用的形式,探索了液滴在多孔材料表面的动态润湿行为特性,鉴别了微气流作用下液滴在多孔材料表面的3种不同动态润湿模式,发现了液滴在微气流作用下的类超疏水悬浮状态.在此基础上,针对具有典型意义的液滴完整浸润模式,结合对多孔材料表面液滴受力模式与受力机理的分析,探讨了不同微气流条件下液滴表观接触角、体积以及底部润湿面积等动态润湿参数与润湿时间之间的依变规律.