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.     

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.     

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.     

超疏水——从自然到仿生

世界第一高楼．阿联酋迪拜的BurjDubai正在紧张施工中，现已建到110层以上。据内部消息，最终高度可能是828米。“迪拜塔”将有160层，其设施包括旅馆、购物中心、办公楼和豪华公寓。到时候，人们可以惬意地坐在高耸入云的楼上，悠然地喝着咖啡，欣赏窗外缓慢飘过的白云。     

表面微细结构制备超疏水表面

超疏水是指固体表面上水的表观接触角超过150˚的一种特殊表面现象, 本文从热力学角度评述了导致超疏水状态的两种理论模型: Wenzel模型和Cassie模型, 讨论了表面微细结构对超疏水状态的影响以及Wenzel和Cassie两种状态之间的内在联系. Wenzel和Cassie是两种可以同时共存的超疏水状态, 在一定条件下可以实现从Cassie到Wenzel状态的不可逆转变, 而这两者在接触角滞后中表现出截然不同的性质. 概括和总结了通过设计表面微细结构来达到超疏水表面的制备策略, 并对超疏水表面在现代工程领域内的应用前景作了展望.     

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.     

蚊子腿表面多级微纳结构的超疏水特性

蚊子是一种能够在水面自由起落、行走、产卵而从不溺水的两栖昆虫.报道了蚊子腿表面的超疏水机理.单根蚊子后腿在水面上的静态承载力平均可达600μN,是整个蚊子体重的20多倍,而利用柔软细钢丝做成的外观形状、结构和尺寸与蚊子腿几乎一致的"钢丝腿",其水面承载力仅为85μN.扫描电子显微镜观察发现,蚊子腿表面被大量有序排列的、瓦片状的、尺寸在十微米级的空心鳞片覆盖,鳞片表面整齐排列了亚微米级的纵肋和纳米级的横筋结构蚊子腿部表面具有很强的疏水性,静态接触角约为153°.理论分析表明,蚊子腿表面上的微纳多级结构是其具有超疏水性和高可靠性表面承载力的根本原因.     

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.     

超疏水表面微液滴的电致振动

微流体控制技术在生物、化学、微机械等领域具有广阔的应用前景.微液滴作为微流体的一种表现形式,其运动形态与控制技术已经成为最热门的研究领域之一.本文以铜基十四酸铜表面(具有二级粗糙结构的超疏水表面)为基底,首先研究了微液滴在直流电场下的电湿润现象,其次研究了交流电场下微液滴的电致振动特性,然后讨论并分析了外加电场频率、电压幅值、液滴体积等因素对液滴振动特性的影响.     

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.     

带有超疏水点阵的微细铜丝上的核态沸腾

表面亲疏水特性对沸腾有着重要影响.本文在直径为150μm的铜丝上修饰了宽度为100μm、间距为3 mm的超疏水点阵.借助微细丝较好的观测特性,对疏水点阵上的沸腾过程,尤其是气泡脱离及相互合并过程进行了细致考察.研究了单个疏水点大小对起泡的影响,并对带有疏水点阵的铜丝上的沸腾换热模型进行了初步考察.超疏水点阵可以显著提高核态沸腾换热效率,初步认为其主要原因在于点阵使得起泡更加容易,且沿加热丝更加均匀,但最优的核化点密度及其与铜丝的固体热性能的关系还有待进一步研究.     

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.     

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.     

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.     

湿润转变对超疏水表面上撞击液滴结冰影响的研究进展及展望

表面超疏水性是液滴撞击固体表面反弹的基础,利用超疏水表面的液滴反弹特性可从源头上抑制撞击液滴结冰,但湿润转变的发生会使表面的超疏水性失效.本文重点关注湿润转变对超疏水表面上撞击液滴结冰的影响.首先,分别从湿润转变对表面上撞击液滴动力学行为的影响、湿润转变对撞击液滴结冰形式的影响和撞击液滴湿润转变遵循的能量路径及转变机理3个方面梳理当前研究现状.然后,在总结上述研究现状的基础上,对通过表面微结构拓扑设计,实现抑制Cassie-Wenzel不可逆湿润转变,促进Cassie-Wenzel-Cassie可逆湿润转变,以此强化超疏水表面的液滴反弹特性进而抑制撞击液滴结冰的新思路进行了展望.     

刻蚀法制备具有减反增透和超疏水性质的玻璃表面

通过简单的一步水热碱性刻蚀,然后经低表面能物质1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷修饰,成功获得了具有超疏水性质和高透光率的玻璃表面.考察了刻蚀温度和刻蚀时间对玻璃润湿性和透光性的影响.结果表明,随着刻蚀温度的升高或刻蚀时间的增长,玻璃表面的疏水性越好;在所考察的刻蚀温度和刻蚀时间范围内,随着刻蚀温度升高或刻蚀时间增长,样品的透光率先增大后减小.此外,分析并讨论了玻璃表面微观结构对样品润湿性和透光性的影响.本研究在120 min,85℃实验条件下,获得了接触角为152°,滚动角小于4°,最大透光率达98.1%(537 nm)的玻璃表面.     

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.     

仿荷叶微凹凸表面的疏水机理与判据

根据液滴在有限液固界面上接触角恒增大原理,提出仿荷叶微凹凸表面提高疏水性是众多小尺寸有限液固界面所集成的结果.建立了液滴在类荷叶结构表面的稳定性数学方程,推导出微凹凸表面空隙的理论临界半径与固体、液体性质之间的关系,阐述了实现疏水性的3个条件.计算结果表明,当微凹凸表面空隙半径小于理论临界半径rc时,液滴在固体表面均可呈现接触角大于90°的稳定状态,而液固界面面积的最小化以及低的固体表面能是实现疏水性的重要因素.提出用有效黏附功W′a作为衡量固体表面疏水能力的判据.     

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.     

高沁高速公路长寿命沥青路面设计方案分析与比较

文章通过介绍长寿命路面的概念、结构特点及发展状况,结合产煤大省山西特重车道较多的特点,从设计理论、经济指标的角度对高沁高速公路长寿命路面的设计方法进行了探讨,分析了长寿命沥青路面与传统混凝土路面的结构形式及费用一效益之差.