超疏水表面微纳结构设计与制备及润湿行为调控（Ⅱ）

超疏水表面因其优异的自洁排水性能可望在高科技领域和日常生活等方面有美好的应用前景。目前通过对荷叶表面微纳结构仿生已达到在亲水材料上制备超疏水表面的准商业化水平。然而,超疏水表面现有制备方法一般都工艺复杂和费用高昂,同时其超疏水性与其他材料性能很难相容,限制了其实际应用。对此,特别需要深入理论研究,优化设计表面微纳结构,同时充分利用外界作用调控其润湿行为,实现其在某些高科技领域的率先应用。针对超疏水表面研究的这些关键问题,重点评述了当前超疏水表面理论研究特别是表面几何设计方面的最新进展,总结了目前国内外制备超疏水表面的流行技术方法,进而讨论了利用外界作用调控超疏水行为的可能性。     

类金刚石薄膜表面润湿调控研究综述

表面具有特殊润湿性特别是超疏水性的类金刚石薄膜,可满足在极端服役环境下(比如雨雪、潮湿环境中或者人体组织内)智能界面材料表面改性的需求.概述了类金刚石薄膜的生产工艺和性能优势及制备方法,介绍了具有特殊润湿性,特别是超疏水性的类金刚石薄膜的应用背景,同时提出了类金刚石薄膜表面润湿调控在理论和技术上的限制.在此基础上,阐述了类金刚石薄膜表面本征润湿性及与微观结构(包括杂化状态和短程或中程有序相团簇结构)间的关系.同时,基于经典的Wenzel和Cassie润湿理论,从表面化学组成和粗糙结构两个方面,重点论述了类金刚石薄膜表面润湿调控的方法及研究现状.通过等离子体表面处理、元素掺杂或者化学修饰改变DLC薄膜表面化学组成,实现DLC薄膜表面本征润湿改性.通过基体表面织构化或者薄膜表面形貌控制,构建DLC薄膜表面粗糙结构,控制界面润湿状态.二者共同作用可实现DLC薄膜表面润湿性在超亲水和超疏水之间变化.最后,总结并指出当前类金刚石薄膜表面润湿调控存在的一些关键科学问题,同时展望了未来的发展趋势.     

铜基超疏水表面制备方法的研究进展

铜及其合金因具有良好的热物理性能,在海洋工程、能源、航空航天、电子器件等领域有广泛的应用前景。制备铜基超疏水表面能够提高铜及其合金在各领域的应用性能,降低铜基金属的损耗,减少资源浪费。因此,超疏水表面在铜及其合金表面的制备和应用方面成为了研究热点。首先简单介绍了超疏水表面的相关理论,主要包括Young氏方程、Wenzel模型和Cassie-Baxter模型。其次,基于制备铜基超疏水表面的2个条件(提高材料表面粗糙度以及降低材料表面能),详细综述了铜基超疏水表面制备方法的研究进展,讨论了自组装、刻蚀、电化学沉积、激光复合加工等方法在制备铜基超疏水表面时存在的优势和主要问题,分析了制备方法对铜基超疏水表面应用性能的影响,列举了铜基超疏水表面在自洁、耐腐蚀、油水分离等方面的应用。最后,指出了铜基超疏水表面未来的发展方向,即通过制备具有自修复功能的超疏水表面或通过改变材料表面微纳米结构,提高铜基超疏水表面的耐磨性和稳定性。除此之外,工艺简单、成本低的铜基超疏水表面制备方法仍具有广阔的应用前景。     

电化学刻蚀法制备铝合金超疏水表面及其润湿性转变

目的通过简易环保的方法在铝合金基体上制备超疏水表面。方法采用电化学刻蚀和空气中保存法在铝合金基体上制备超疏水表面,用扫描电子显微镜、粗糙度测量仪和光学接触角测量仪对所得样品的微观形貌、表面粗糙度和润湿性进行分析。结果水滴在铝合金表面的接触角随着保存时间的增加而增大,电化学刻蚀所得超亲水表面逐渐表现出超疏水特性。12 d后表面趋于稳定,水滴在铝合金表面的接触角和滚动角分别为(152.3±4.5)°和(6.4±2.2)°。随着电化学刻蚀时间的增加,铝合金表面的润湿性减小。热处理可以使超疏水表面转为超亲水表面,在空气中保存后表面又恢复疏水性。结论试验所用中性环保的NaCl溶液作为电解液,极大地降低了试验对人体和环境的危害。并未使用有害的二次化学涂层作为表面能修饰材料,提高了试验的安全性和超疏水表面的稳定性。通过此简单环保的电化学刻蚀和空气中保存的方法成功地在铝合金基体上制备出了超疏水表面,所得表面展现出良好的疏水特性。     

润湿性表面液滴导向运动的研究进展

润湿性表面的液滴操控技术由于其在微流控系统设计、生物医学分析、淡水收集、喷墨打印以及换热器等领域具有广阔的应用而备受学者关注.详细介绍了液固接触和液滴运动的基本理论.综述了近年来国内外学者对于润湿性表面上液滴导向传输技术的研究进展,按不同的润湿性表面涉及的不同驱动力,归纳了液滴在润湿性梯度表面上受表面梯度驱动、在超疏水基底异性轨道表面上受重力驱动、在超疏水表面上受外场驱动的三种导向运动,着重阐述了从理论分析到实验实现润湿梯度表面驱动液滴的发展脉络、超疏水基底异性轨道表面的制备方法、液滴运输实验研究和受光、电、热、磁外场响应的不同液滴驱动传输机制,分析对比了各种液滴传输技术的优缺点.最后,提出了对润湿性表面上液滴做曲线运动过程中深入到离心力、表面张力等影响运输可控性的力学特性研究,展望了耦合多外场结合固体润湿性表面的优化设计,来控制多液滴独立导向运动的重要方向,并简要介绍了未来的应用前景.     

多功能超疏水表面的制造和应用研究现状

荷叶表面是自然界中典型的超疏水表面,具有"出淤泥而不染"的特性,近年来,荷叶表面的超疏水现象引起了科研人员的广泛关注.普通表面经构建微纳米级粗糙结构和低表面能修饰后,可获得超疏水表面.将水滴置于超疏水表面上,水滴与超疏水表面间存在一层空气垫,空气垫可有效减小水滴与表面的接触面积,使水滴无法浸入表面微观结构中,而被"支撑"在超疏水表面上,因此超疏水表面对水表现出优异的排斥性.这种特殊性能使超疏水表面在诸多领域都有极高的应用前景和市场价值.本文对超疏水基础原理进行了梳理,并对近期超疏水领域的研究成果进行了综述.首先介绍了超疏水表面的经典润湿理论,包括Young模型、Wenzel模型和Cassie-Baxter模型.然后归纳了诸多超疏水表面的制备方法及优缺点,包括激光刻蚀法、化学沉积法、化学刻蚀法、电化学沉积法、电化学刻蚀法、热氧化法、喷涂法等.在分析不同制造方法的基础上,进一步讨论了超疏水表面在自清洁、防雾、抗结冰、耐腐蚀、液体无损转移、油水分离、摩擦发电、芯片实验室、液滴传感器等领域的应用.最后,指出超疏水表面从实验室研究走向生产应用过程中所面临的问题,并对超疏水表面的未来发展进行展望.     

仿生非均匀润湿性表面研究进展及应用现状

介绍了固体表面的典型润湿理论，主要包括Young’s方程、Wenzel模型、Cassie-Baxter模型、Wenzel-Cassie模型之间的转换理论以及动态润湿模型。对仿生非均匀润湿性表面的国内外发展动态、表面制备技术以及表面结露特性等进行了归纳总结。针对仿生非均匀润湿性表面在集水、换热、脱盐、微流体控制以及抗结冰等方面的应用现状及潜在应用前景进行了阐述，揭示了非均匀润湿性表面利于强化结露及提高换热效率的主要原因为:亲水微区强化了表面形核结露，疏水微区保证了露滴脱附性能，从而使表面结露及脱附达到相对平衡而保证总体效果。最后指出了仿生非均匀润湿性表面目前存在设备昂贵、制备工艺复杂以及成本较高等限制其批量化制备应用的问题，阐明了利于批量化制备应用的涂层调控技术在非均匀润湿性表面制备中的优势，并对非均匀润湿性表面的工业应用前景和发展方向作了展望。     

超疏水性氧化铝薄膜的制备与防粘附行为

利用溶胶-凝胶法制备得到氧化铝薄膜,然后通过热处理、沸水处理和脂肪酸修饰后得到一种超疏水性氧化铝薄膜.通过考察材料表面的润湿性和表面结构,对超疏水性氧化铝薄膜的制备过程、润湿性能和防粘附行为进行了研究.结果表明:沸水处理使氧化铝薄膜获得了多孔的粗糙结构,而接枝脂肪链使其表面获得了疏水性的有机层.正是由于其特殊的表面结构和化学组成,使水滴难以渗入到由大量空气占据的空隙中,从而使氧化铝薄膜表现出超疏水特性和良好的防粘附行为.     

不同润湿性液体在粗糙表面的润湿滞后现象

润湿滞后是表征液体脱离固体表面难易程度的核心参数。为了研究不同润湿性状态下的润湿滞后现象,在定量描述固体表面粗糙度的基础上,首次在3种不同粗糙度固体表面上对强亲水到疏水范围内的液体进行系统的Wenzel接触角及润湿滞后实验,在通过Wenzel理论及静摩擦力理论验证座滴法与体积法实验结果准确性的前提下,进一步研究不同润湿性状态下杨氏接触角、粗糙度与润湿滞后之间的定性关系。结果表明:固体样品1(固体表面粗糙度,r=1.15)的润湿滞后效应在不同润湿状态下保持一常数,而固体样品2(r=1.64)及固体样品3(r=2.29)的润湿滞后效应在θ_e=90°附近达到最大,随着亲水和疏水程度的增加,润湿滞后效应均不断减小;粗糙度与润湿滞后的关系也并不单调,在亲水状态下,润湿滞后效应随着粗糙度的增加而减小,而在中性润湿状态下未发现明显规律。     

镁合金超疏水表面制备技术的研究进展

超疏水表面因其在日常生活及工农业生产等领域有巨大的应用前景而受到科研人员的广泛关注。基于镁及其合金基底超疏水表面的制备研究可以加深对材料特性的认识、扩展材料应用范围和提高材料应用性能而具有重要的意义。介绍了超疏水表面的相关理论基础和超疏水状态下的两类模型及其相互关系,对两类模型下表面微细结构和固体表面化学成分对接触角的影响进行了讨论。从构建超疏水表面的两种途径出发,一是在低表面能物质上构建特殊微细结构,二是在微细结构表面利用低表面能物质进行修饰,着重总结归纳了镁合金基底超疏水表面制备技术的研究进展,并对镁合金超疏水表面的发展进行了展望。     

玻璃表面二氧化硅基超疏水膜的研究进展

超疏水表面带来一些可贵的界面性质,包括防结冰、防污染、防氧化等。对于工业产品中常用的玻璃等无机材料,研究人员参照自然界超疏水物质的结构和成分,借助含碳、氟等元素的物质,通过各种方法,合成具有微米-纳米二重粗糙结构和低表面能的有机-无机杂化涂层与基材结合,从而制备超疏水表面。因玻璃表面亲水性的固有性质,在平板显示、触摸屏、太阳电池盖板、玻璃幕墙等领域,解决既能满足光学性能指标,又能实现疏水性和抗污染性的问题尤为重要。首先讨论了粗糙表面的固液复合接触和非复合接触两种理论模型,进而阐述了超疏水玻璃的实现要素和基于二氧化硅的超疏水膜的制备方法。梳理了以溶胶-凝胶法为基础的玻璃表面二氧化硅基透明超疏水膜的制备技术进展,根据涂膜次数、溶胶组成、膜层粗糙结构的实现方法等,将现有制备技术分类、归纳为三种制备路线：共前驱体合成改性二氧化硅溶胶制备单层超疏水膜,表面改性法制备多层结构超疏水膜,添加二氧化硅颗粒引入粗糙层法。指出了各种方法的超疏水原理、膜层特点,分析了部分制备实例的疏水性、粗糙结构、光学透过率等性质的影响因素。对于溶胶-凝胶法制备的SiO2基超疏水玻璃,实现超疏水性的同时,如何保持玻璃良好的透明性以及膜层的耐磨性、持久性,是需要重点研究的方向。     

激光复合加工制备超疏水金属表面的研究进展

随着我国工业化进程的不断推进,金属材料已经广泛应用到生产生活的各个领域.仿生超疏水金属表面不仅能够延长金属材料在各种环境下的使用寿命,而且还能赋予材料表面自清洁、减阻、油水分离等新的性能.目前,研究人员已采用多种工艺在金属基体上制备出超疏水表面,超疏水金属表面的制备已经成为仿生学研究中的一个热点.首先介绍了润湿理论的发展,引出了制备超疏水金属表面的各种工艺方法,进一步归纳总结了激光加工制备超疏水金属表面的优势、特点和表面微结构.在此基础上,重点论述了近年来将激光加工工艺与化学刻蚀工艺、沉积工艺、离子注入工艺、涂层工艺和氧化工艺相结合的激光复合加工工艺,以及运用激光复合加工工艺制备的超疏水金属表面的结构和特点.激光复合加工不仅能够在金属表面形成更加丰富的微/纳米复合结构,而且能够使金属表面更快地获得超疏水性能,从而制备出稳定持久的超疏水金属表面.此外,复合加工能够降低对单一制备工艺的依耐性,扩大加工范围,降低生产成本.激光复合加工制备超疏水金属表面在实际应用中具有巨大的潜力.     

表面微纳结构和化学修饰对润湿性影响研究进展

润湿性是赋予材料表面的重要特征之一，对功能件服役行为具有极为重要的作用。影响表面润湿性的主要因素包括材料表面能、表面表面粗糙度以及表面微纳结构，而鲜有定量研究其间关系。对表面微纳结构和化学修饰对润湿性影响进行研究，首先介绍表面润湿性的三种经典理论模型及润湿理论的最新进展，详细综述国内外学者对表面微纳结构和化学修饰对表面润湿性影响的研究现状，分析并讨论接触角随表面粗糙度变化的内在机理和成因，阐述表面微织构对润湿性的影响及在不同领域内化学修饰的作用，最后总结当前面临的主要问题和未来的发展方向。结果表明，表面微织构和调控表面能是调控材料表面润湿性的关键因素和基本条件；在润湿理论逐步完善的过程中，建立起的修正物理与数学模型使试验数据与理论模型更具匹配性，以期得到适用性更广的理论模型；润湿性表面的制备也逐渐从单一的圆形、方形和沟槽微结构向微-纳多尺度、多层复合微织构和仿生功能性表面的创成与优化等方向发展；激光加工结合其他技术实现多响应、多功能润湿性表面的制备是未来的重要研究方向：材料表面润湿性影响因素众多，除受表面微纳结构和化学修饰的影响外，功能表面会与基底材料和周围环境发生化学反应，也会导致润...     

仿生防冰表面研究进展

飞机、风电设备和输电线路等覆冰会降低工作效率,造成财产损失,严重时甚至威胁人民生命安全.仿生防冰表面具有低能耗、低污染等优点,成为国际研究热点.首先概述了仿生防冰表面的概念,根据作用机理将仿生防冰表面分为超疏水表面和超润滑表面.分别详细地介绍了两种防冰表面的防冰机理、仿生对象及制备技术.超疏水表面改变水的润湿状态,延迟水滴结冰,减小冰粘附强度,其仿生对象包括荷叶、水稻叶等,其制备技术包括光刻、等离子刻蚀等自上而下方法,及喷涂、化学气相沉积等自下而上方法.超润滑表面将固-气-液界面作用时的空气层替换为液体层,增强润滑,减小冰粘附,其仿生对象包括猪笼草、箭蛙皮肤等,其制备技术主要为多孔制备方法.随后介绍了仿生防冰表面技术的发展趋势.在保证表面疏水/冰性能的同时,直接或间接增强表面的稳定性和耐久性,构建具有良好环境适应性(如超双疏、柔性、透明、自清洁等)与防冰结合的多功能融合表面,是未来仿生防冰表面的重要发展趋势.最后,对当前仿生防冰表面的发展和挑战进行了展望.     

超疏水表面在金属防护中应用的研究进展

超疏水表面由于具有独特的微纳米粗糙结构和低表面能性质,能形成空气垫物理屏障层,减小材料表面与水或其他腐蚀介质之间的接触面积,因此被广泛应用于金属的腐蚀防护。首先简单介绍了超疏水表面的相关理论,主要包括Young氏方程、Wenzel模型和Cassie-Baxter模型。然后,归纳总结了三种制备超疏水表面的有效途径:在低表面能物质上构建微纳米级粗糙结构;先构建出具有微纳米级的粗糙结构,再对表面进行低表面能修饰;一步法完成低表面能修饰和微纳米级粗糙结构的构建。在此基础上,详细地综述了常见的超疏水表面(薄膜或涂层)在金属防护中的应用。进一步介绍了通过在超疏水体系中引入缓蚀剂的方式,构建具有主动防护功能的超疏水表面,并介绍了此种超疏水表面在金属防护中的应用。最后指出了目前的超疏水表面在制备工艺以及耐久性等方面存在的问题,并对其在金属防护领域的应用前景和发展方向作出了展望。     

非晶合金表面极端润湿性的研究进展

随着近代仿生学的不断发展,极端润湿性界面材料作为一种新型功能材料,已成为材料科学研究领域的热点之一.非晶合金由于具有较低的表面(自由)能以及在过冷液相区的超塑性,成为了制备功能性表界面的理想材料之一,尤其是超疏液表面的理想材料.利用Young′s、Wenzel、Cassie-Baxter三种不同的润湿模型,对非晶合金表面润湿行为进行了系统的讨论,分析了表面微纳结构对超疏液和超亲液非晶合金表面的影响规律.表面微纳结构的构筑会很大程度地改变固体表面润湿性.表面微纳结构在几何尺寸增大初期,液体与表面之间存储的气体越来越多,直接表现为接触角增大;几何尺寸继续增大,使得液体与粗糙表面直接接触,导致接触角减小.同时,论述了非晶合金表面能和液体表面张力对润湿性的影响.固体表面能越大,液体在表面的接触角越小;而对于液体,其表面张力越大,在固体表面的接触角越大.指出了当前极端润湿性非晶合金表面在制备工艺、耐久性等方面存在的问题和研究难点.最后,展望了非晶合金极端润湿性表面的未来发展趋势和应用前景.     

超疏水表面耐久性能的研究进展

超疏水表面由于其独特的表面润湿特性,具有很大的应用前景。但是超疏水表面的微纳米二元粗糙结构和低表面能物质极易受到磨损和油污等影响而遭到破坏或损耗,从而影响了其耐久性能,限制了其实际运用,因此研究超疏水表面的耐久性能具有重要意义。综述首先介绍了超疏水表面耐久性能差的主要原因,然后梳理了超疏水表面耐久性能的测试方法,对如何增强超疏水表面耐久性能的途径进行了总结,最后指出目前超疏水表面耐久性能研究中存在的一些问题,旨在对耐久性超疏水表面的研究进展有一个全面的认识,对耐久性超疏水表面的发展提供一些理论指导,并展望了未来耐久性超疏水研究的发展方向和趋势。     

超疏水表面微结构的设计及其注射成型

目的 从超疏水表面的功能设计出发,主动设计三种深宽比的微结构阵列并洞察其在不同润湿接触状态下的疏水性能。方法 首先,采用热力学分析方法,建立三种深宽比微结构的系统自由能与其接触角、结构几何参数之间的函数关系,探明自主设计微结构表面的润湿性能。继而,在热力学分析的基础上,采用紫外光刻、电铸和注射成型技术相结合的方法实现三种深宽比微结构聚丙烯（PP）超疏水表面的制备。最后,进一步测量与分析聚丙烯（PP）微结构表面的润湿性能。结果 三种深宽比微结构表面的静态接触角测量值均大于150?,滚动角分别为12?、14?和15?,基本达到设计目标;同时,微结构表面的表观接触角测量值与理论计算值基本符合。表面的接触角滞后分别为15?、21?、22?,且接触角滞后随着深宽比的增加而变大,使液滴在PP表面的流动性也变差。结论 在设计微结构超疏水表面的过程中,可以适当降低微结构的深宽比,以获取更好的超疏水特性。自主设计的微结构表面基本实现超疏水性,为高聚物超疏水表面的功能设计与高效制备提供了理论依据与技术支撑。