木材仿生超疏水功能化制备方法

 超疏水表面是一类与水的接触角大于150°且接触角滞后小于10°的固体表面,其在基础研究和工业应用方面具有重大的研究和实用价值。通常情况下,超疏水表面可通过在疏水材料表面构建一定尺寸的粗糙结构或利用低表面能的物质对粗糙表面进行修饰而获得。本文综述木材超疏水表面的制备方法,主要概括了溶胶-凝胶法、水热合成法、湿化学方法、表面涂覆和溶液浸泡法等的应用情况,讨论了超疏水木质基表面研发中存在的问题,探讨了该研究领域的发展趋势。     

二氧化硅／有机蒙脱土复合超疏水涂层的制备及其性能研究

将全氟辛基三乙氧基硅烷（FAs）改性的二氧化硅颗粒与有机蒙脱土（OMMT）混合制成溶胶,采用浸渍提拉法制备具备超疏水性能的复合涂层,研究了二氧化硅／OMMT不同配比对涂层疏水性能的影响。结果表明,复合涂层的静态接触角随二氧化硅／OMMT质量比的增加而增大,滚动角随二氧化硅／OMMT质量比的增加而减小。通过扫描电子显微镜（SEM）观察涂层表面微观结构,发现超疏水涂层表面具有微纳米复合结构,结合FAS改性二氧化硅的低表面能,赋予了复合涂层优良的超疏水性能。     

工业化超疏水TiO2涂层的简易制备和性能研究

为探究适合工业化生产用超疏水纳米TiO₂的绿色改性工艺,以饱和脂肪酸A、硅烷B、纳米TiO₂（P25）等为原料制备超疏水TiO₂粉末,与环氧树脂混合后利用喷涂法制备出超疏水涂层。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱仪和接触角分析仪对超疏水粉末和超疏水涂层表面的形貌和疏水性进行了表征。结果表明：超疏水TiO₂粒子表面具有疏水性基团和微-纳米双重粗糙结构,粒子表面的静态水接触角为158°,滚动角为3°;当超疏水TiO₂与环氧树脂的质量比在3.2～3.5时,超疏水涂层既保持超疏水性,又与基底稳固结合,同时具有自清洁性和可修复性。该工艺操作简单方便,成本低,疏水性好,无需特殊设备,工艺环保,适应工业化生产,可用来大面积制备超疏水涂层,拥有较高的商业价值。     

An organic junction between the vein and membrane of the dragonfly wing

A dragonfly wing consists of membranes and both longitudinal and cross veins. We observed the microstructure cross-section at several locations in the dragonfly wing using environmental scanning electron microscopy (ESEM). The organic nature of the junction between the vein and the membrane was clearly identifiable. The membrane was divided into two layers, the upper epidermis and the lower epidermis. These layers extend around the sandwich structure vein, and combine with the adjacent membrane at a symmetrical location along the vein. Thus, we defined this as an organic junction between the vein and the membranes. The organic junction is able to form a tight corrugation angle, which dramatically increases both the warping rigidity and the strength of the wing, but not the torsional rigidity. The torsional deformation is primarily controlled by the microstructure of the longitudinal veins, and is based on the relative rotation angle between the epidermal layer and the inner layer of the vein that forms the zigzag section.     

蜻蜓翅膀力学性能的数值模拟

采用数值模拟的方法对蜻蜓翅膀在均布载荷作用下的力学性能进行了分析. 采集蜻蜓翅膀标本,将翅膀照片拾取成为矢量图,并由矢量图建立几何模型. 利用有限元分析软件建立了蜻蜓翅膀的有限元模型,对均布载荷条件下蜻蜓翅膀的力学性能进行了数值分析,得到了蜻蜓翅膀不同位置的受力变形情况,进而给出了蜻蜓翅膀的位移随时间变化曲线. 数值模拟结果显示,在同一水平位置上,越靠近翅根部分,变形越小,离翅根越远,变形越大;而同一垂直方向的三个不同位置的位移变化量几乎一致,与实际情况相符,证明了数值模拟中所取的杨氏模量参数的合理性;翅膀受到均匀载荷作用时,翅根部分附近所受压力是最大的,这与理论中固定端受力情况一致.     

基于软印刷技术的竹材表面仿制荷叶超疏水结构

 利用软印刷技术,研究了在竹材表面仿制荷叶表面的超疏水性微纳结构。以新鲜荷叶为模板,以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为印章,经过两次复形处理使竹材表面获得类似荷叶表面的超疏水结构。扫描电子显微镜（SEM）观测及接触角测试结果表明,制备的仿生荷叶竹材样品具有与荷叶类似的微纳乳突结构粗糙表面,其与水滴的接触角达到150.5°（平均值）,非常接近荷叶表面的接触角（154.5°）,表现出超疏水特性。仿生荷叶微纳结构竹材样品的成功制备,证实了纳米技术赋予竹材等亲水材料以超疏水性能的可行性。     

蜻蜓滑翔时三维串列柔性双翼气动效能分析

为进一步揭示蜻蜓翼在被动的柔性变形和串列双翼柔性干涉作用下对气流的影响机制,本文基于STAR-CCM+软件,采用流固耦合方法对Navier-Stokes方程进行数值求解。研究了杨氏模量为3 800 MPa、泊松比为0.25时,蜻蜓柔性复翼的变形及其气动特性响应规律。研究表明：蜻蜓翼保持正向高置差气动布局均会带来相似且有益的影响。迎角5°时,1.2 mm的高置布局相比低置气动布局的升力系数提升了5.2%,当迎角增大到25°时,差值达到19%。双翼干涉效应下,前翼的气动特性会得到明显的提升,后翼虽会损失一定的气动力,但总体而言,动态干涉是有益的。从双翼气流分离下诱导的后缘涡强度来看,后翼的涡要明显强于前翼。9 m/s以后,蜻蜓滑翔时由前翼承担主要载荷的方式缓慢过渡到后翼,而且后翼翼梢处受载较明显,其最大变形达到16 mm;扭转变形方面：速度一定时,随着滑翔时失速迎角增大,后翼的动态弯扭变形明显强于前翼,验证了蜻蜓翼大迎角下利用后翼机动滑翔的观点。     

蜻蜓柔性后翅模型的气动效能分析

为探究柔性材料对蜻蜓滑翔时气动特性的影响,通过数值仿真的方法,研究杨氏模量为3800 MPa,泊松比为0.18的三维柔性蜻蜓后翅模型在不同雷诺数和迎角滑翔时的气动效能和气动力作用下的结构变形.结果表明:柔性蜻蜓后翅在气动力的作用下会产生明显的弯曲扭转变形,且变形程度随着雷诺数和迎角的增大而增大,其中该扭转变形会使蜻蜓滑翔的实际迎角减小;由于产生了使迎角减少的扭转变形,使得在迎角为5°～30°滑翔时,升力系数减少了9％ ～45％,失速迎角增大10°以上;小迎角滑翔时,升力系数随速度增大而减小,大迎角滑翔时,升力系数与速度无明显相关性;大迎角滑翔时,在气流分离和柔性蜻蜓翼大角度扭转的作用下,上翼面的负压区向后缘移动,增加了负压区面积,增大了失速迎角,有利于提高蜻蜓飞行时的机动性.可见虽然柔性材料虽然会牺牲蜻蜓滑翔时的气动效能,但有助于蜻蜓高速大迎角飞行,提高了蜻蜓的机动性.     

超疏水表面仿生原型制备技术研究分析

超疏水表面(superhydrophobic surface)是指水滴静态接触角>150°且滚动角<10°的材料表面,广泛应用于自清洁、防腐蚀、疏水抑冰与船舰减阻等诸多工程领域。基于仿生工程学原理,人们对典型超疏水仿生原型进行广泛研究,以期获取超疏水表面研制的理论基础。从呈现超疏水润湿现象的典型动植物体表入手,综述其表面微形貌结构特征对超疏水润湿特性的影响机制,介绍材料表面超疏水润湿行为量化表征的数学模型;重点关注仿生超疏水表面制备技术的最新研究进展,包括传统制备方法与3D打印制备技术,以及超疏水表面制备样件的功效表征;分析指出仿生超疏水表面的低成本、大面积、功效持久性是该领域未来发展的重要方向。研究成果可加深学者对超疏水润湿特性的认知,推动超疏水表面仿生研制新思路、新方法、新技术的发展。     

表面活性剂与PTFE涂层结构对润湿性的影响

以粗糙的超疏水聚四氟乙烯(PTFE)涂层为基体,研究表面活性剂的加入对溶液在粗糙PTFE涂层表面润湿性的影响.利用粗糙PTFE涂层表面Cassie方程计算和原子力显微镜(AFM)对表面活性剂分子在涂层表面的形貌进行表征.结果表明,在低表面张力范围内表面活性剂溶液不能润湿粗糙的超疏水PTFE涂层,而具有相似表面张力的有机溶剂可以润湿涂层表面.表面活性剂溶液与粗糙PTFE涂层表面接触时的空气分率始终维持在0.5以上,溶液不能完全进入PTFE粗糙结构,这点是导致低表面张力的表面活性剂溶液在粗糙PTFE涂层上不能润湿的原因.     

高强度超疏水性杨木材料的构建

 针对超疏水性材料应用过程中性能不够持久的问题,以杨木为例,通过实验研究了具有高强度超疏水性能的杨木材料的构建。采用真空加压方法将二氧化硅合成原料注入杨木内部,使正硅酸乙酯、氨水、乙醇在杨木微米级导管内发生溶胶-凝胶作用而生成SiO₂纳米粒子,在不破坏杨木原本结构的情况下实现二氧化硅与木材的复合,使杨木材料形成更强健的二维多级粗糙结构,并经十八烷基三氯硅烷修饰使杨木材料表面获得高强度的超疏水性能。检测结果表明,该超疏水性杨木材料样品在水、腐蚀性液体（酸液/碱液）、常见有机溶剂中以及一些常见条件下均保持了优异的超疏水特性能。     

水汽在细微颗粒表面异质核化数值分析

建立蒸汽在同时含有不溶物质与可溶成分的粗糙颗粒表面核化特性数值实验平台,对水汽异质核化晶核形成自由能、成核速率、成核几率、成核临界饱和度、平衡水汽饱和度进行数值分析.结果表明:可溶性盐含量对成核自由能势垒、成核临界饱和度无影响,但对晶核越过自由能势垒进一步长大过程自由能及平衡水汽饱和度影响显著.用自仿射分形理论描述粗糙颗粒表面,将表面粗糙程度与接触角联系起来,研究发现:颗粒表面粗糙度降低了成核自由能势垒,引起成核速率与成核几率迅速增大,成核临界饱和度降低,而对晶核进一步长大过程中水汽的平衡无明显影响.较高的可溶性盐含量有利于核化液滴的长大;颗粒表面越粗糙,越易于核化.     

Durable, high conductivity, superhydrophobicity bamboo timber surface for nanoimprint stamps

Superhydrophobic bamboo timber was fabricated by magnetron sputtering and nanoimprint stamps. Conductive copper film was deposited on the surface of bamboo timber, followed by transferring lotus leaf structure pattern to the Cu-bamboo timber surface. Modified by stearic acid, the as-prepared surface with lotus leaf structure showed superhydrophobic property with the water contact angle of 152°, and the sliding angle was only 5°. The coating showed excellent mechanical resistance, environmental stability and high conductivity. It was expected that this work could promote the applications of superhydrophobic and conductive bamboo products.     

铝基超疏水表面制备与形成机理

本文通过NaCl和C6H12N4混合溶液140℃热处理铝箔表面,再经氟化制备出铝基超疏水表面,并用扫描电镜分析了不同温度的混合溶液处理后铝箔表面形貌。研究表明:混合溶液的反应温度直接影响着铝表面形貌,决定着疏水性质。结果显示,具有微米级类花朵形状的表面表现出超疏水性。     

Static and dynamic characterization of droplets on hydrophobic surfaces

We report on our study of the static and dynamic wetting property of hydrophobic surfaces with micro-and dual micro/nano-scale structures.Simulations based on the lattice Boltzmann method showed that the apparent contact angle of water droplets on hy-drophobic surfaces with micro-scale structures increases as solid area decreases,whereas dual micro/nano-scale structures not only increase surface hydrophobicity but also greatly stabilize the Cassie state of droplets.Droplets falling on a superhydrophobic surface distort and,depending of free energy,sometimes bounced on the surface before finally adhering to the surface.These phenomena are in agreement with experimental observations.Simulated results also show that micro/nano-scale surface structures can increase droplet rebound height,which depends on static apparent contact angle.     

Chemically robust carbon nanotube – PTFE superhydrophobic thin films with enhanced ability of wear resistance

A chemically robust superhydrophobic nanocomposite thin film with enhanced wear resistance is prepared from a composite comprising polytetrafluoroethylene(PTFE) and carbon nanotubes.The superhydrophobic thin films with hierarchical structure are fabricated by spraying an environmentally friendly aqueous dispersion containing carbon nanotubes and PTFE resin on silicon wafer.Thin films with a contact angle of 154.1°± 2° and a sliding angle less than 2° remain superhydrophobic after abrading over 500 times under a pressure of 50 g/cm~2.The thin film is also extremely stable even under much stress conditions.To further the understanding of the enhancement of wear resistance,we investigated the formation of microsized structure and their effects.The growth of microbumps is caused by attracting solution droplet to the hydrophilic islands on hydrophobic surface.     

锆基非晶合金激光微织构处理及摩擦磨损性能

研发了一种基于纳秒激光表面微织构的功能化表面制备工艺.此工艺将激光表面加工与低温热处理相结合,先使用一定工艺窗口下的激光加工过程实现非晶合金表面微观形貌的织构化,再使用低温热处理过程调控激光织构非晶合金的表面能/表面化学.研究结果表明:激光加工与低温热处理共同作用下制备的非晶合金表面展现出了表面微纳结构与表面化学的改变,从而实现了超亲水向超疏水特性的转变.同时,微摩擦实验结果表明激光织构化超疏水表面可以在润滑介质的帮助下有效提升其抗摩擦磨损性能.     

仿生超疏水导电竹材的制备及其耐久性

 采用银镜反应及分子自组装技术,在竹材表面原位负载一层纯单质银纳米粒子,赋予竹材导电功能,再经十七氟癸基三甲氧基硅烷（FAS-17）的进一步处理,制备出具有导电功能的仿生超疏水竹材试样,并通过实验观察研究了其稳定性及耐久性。结果表明,制备竹材表面拥有亚微米/纳米二维等级粗糙结构,该结构协同低表面能物质FAS-17共同决定了竹材的超疏水性,竹材表面与水的接触角为155°,滚动角小于10°;制备竹材能够抵抗pH 1~14溶液及强浓度NaCl溶液,且经强烈的溶液搅拌及蒸煮,依旧保持超疏水性和导电性。     

离子液体在超疏水银膜表面的电润湿性能

利用银镜反应在玻璃基底上制备了粗糙银膜,组装烷基硫醇后得到超疏水银膜.研究了［Emim］［BF4］、［Bmim］［BF4］、［Hmim］［BF4］、［Hmim］［Br］和［Hmim］［OTf］等一系列离子液体和不同浓度KCl水溶液在超疏水银膜表面的电润湿性能,分析了离子液体中离子体积、离子液体液滴大小,以及超疏水表面组装层的分子结构对其电润湿性能的影响.结果表明,离子液体的电润湿性能与离子体积和电荷偏离有关,与液滴体积无关,相似电导率的离子液体与KCl水溶液具有相似的电润湿性.     

一步法合成耐久性水基超疏水TiO2/DTMS涂层

为制备具有优异自清洁功能的耐久性水基超疏水涂层，以十二烷基三甲氧基硅烷(n-dodecyltrimethoxysilane, DTMS)为有机改性物，通过一步法在纳米TiO₂表面嫁接长链烷基官能团得到超疏水TiO₂/DTMS涂层。分析了TiO₂涂层及TiO₂/DTMS涂层的表面润湿性、形貌和化学组成，并对所得超疏水TiO₂/DTMS涂层的自清洁性能、机械及化学稳定性进行了测试。结果表明：超疏水TiO₂/DTMS涂层表面水接触角(water contact angle, WCA)达到159°；以亚甲基蓝粉末作模拟污染物，涂覆有超疏水TiO₂/DTMS涂层的玻璃具有优异的自清洁性能；经机械磨损(10 min)、酸碱液(pH=1、3、5、7、9、11、13)浸泡、高低温(−20、30、60、90、120、150 ℃)处理后超疏水TiO₂/DTMS涂层的WCA仍大于150°，表明其具有优异的机械和化学稳定性，可用于室外防污，如建筑物外墙、玻璃、太阳能电池板等。