超疏水仿生表面制造及其应用研究

本文采用等离子体反应气相沉积和飞秒激光技术分别对低表面能薄膜和方柱形微结构在钛合金上进行了制备,采用SEM对样品的表面形貌进行了表征,采用滴定角法对样品的疏水性能进行了评估,同时也对薄膜材料的力学性能进行了检测,获得了最佳工艺,并将上述两种技术复合,在钛合金上制备了仿生超疏水表面,检测结果表明：采用低表面能薄膜与微结构复合的方法,可以获得超疏水性能优异的钛合金表面,带有Cu薄膜的方柱形微结构水接触角可以达到156°,滚动角可达到8°。     

镁合金仿生超疏水表面的制备及展望

随着技术的发展,镁合金作为工程材料受到了越来越广泛的关注。超疏水镁合金由于其特殊的功能特性使其在微流体运输、自清洁、防冰霜等领域具有广泛的应用前景。深入阐述超疏水表面浸润性机理,全面阐述镁合金仿生超疏水表面的制备方法,分析其工业化的可能。进一步总结超疏水镁合金在防腐蚀领域的研究现状及其耐腐蚀机理。同时,鉴于超疏水的耐腐蚀性能和抗黏附性能,将其与具有优异生物相容性的镁合金结合,探讨超疏水镁合金在生物医用领域的研究方向。     

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...     

SLM-Ti仿生微纳米复合结构超疏水表面的构建

以选区激光熔化技术制备的金属钛为基体,采用阳极氧化法在SLM-Ti表面微米级球形模板上一步制备仿生微纳米复合结构.结果表明,未经紫外光照或高温处理的SLM-TiO2纳米管在经全氟辛基三乙氧硅烷(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyltriethoxysilane molecules,POTS)修饰后即...     

超疏水微纳多级表面的可控制造及其俘能应用EI北大核心CSCD

超疏水表面在防污减阻、油水分离、生物医用等领域应用广泛,在摩擦发电蓝色能源收集领域展现出新的应用前景,但其大面积制造及结构形貌的精确调控仍充满挑战。提出光刻和模塑成形相结合的微纳多级表面的可控制造工艺,分别以光刻工艺制造的微米孔和V形孔阳极氧化铝纳米孔为微米尺度和纳米尺度模板,采用一步模塑成形工艺实现微纳多级表面的构建,并通过改变模板尺寸简易并精确调控微纳多级表面的形貌和结构尺寸。通过接触角测量仪分析发现,相比单级纳米表面和单级微米表面,构建的微纳多级表面疏水性能显著提升,并实现超疏水,静态接触角最高达158°,滚动角仅为2°。最后开展超疏水微纳多级表面在水能收集方面的应用研究,采用搭建的固-液摩擦纳米发电测试装置分析表面结构对摩擦电输出性能的影响。结果表明:相比平膜和单级微米表面,微纳多级表面由于摩擦面面积增加和疏水性能增强产生更加优异的电输出信号。当水流速度为8 mL/s时,微纳多级表面的输出电压峰值最高为46 V,短路电流峰值最高为6.3μA。提出了一步模塑成形工艺,实现了超疏水微纳多级表面的大面积、可调控制造,基于微纳多级表面构建的固-液摩擦纳米发电机有望应用于水能收集、自驱动传感等领域。     

铜基超疏水表面的制备及其耐蚀性研究

以十二硫醇作为疏水剂,采用化学刻蚀和高温氧化在铜基体上构造超疏水表面,以提高铜基体的耐蚀性。结果表明,当化学刻蚀8 min、高温氧化6 h、十二硫醇修饰15 min,基体表面形成了具有足够粗糙度并可以捕获大量空气的网状层叠结构,此时基体表面疏水性最好,水的接触角为165.50°。动电位极化曲线表明,超疏水表面的腐蚀速率明显降低,腐蚀电流密度由7.43×10^-5下降至4.31×10^-6A·cm^-2。电化学阻抗谱表明,超疏水表面的电荷转移电阻明显高于铜基体,说明其具耐蚀性相较于铜基体也得到了提高。与当前制备超疏水表面的方法相比,本方法具有廉价、简单、环保的特点。     

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。     

超疏水钛合金表面的制备及其摩擦学性能

为研究表面形貌和润湿性对表面摩擦学性能的影响,采用激光加工技术在Ti6Al4V表面加工间距为100μm的网格和点阵微结构,将Si O2纳米粒子涂覆在微结构上构建微纳结构。采用接触角测量仪测量试样的表面接触角和滚动角,采用摩擦磨损实验机(UMT)测试摩擦学性能,采用LEXT OLS4000型3D激光共聚焦显微镜进行表面形貌和磨痕表征。结果表明:在具有微结构的表面涂覆Si O2可制备出具有微纳结构的超疏水Ti6Al4V表面,且网格表面比点阵表面更难以润湿。表面越难以润湿,试样的比磨损率越低,点阵和网格超疏水表面分别将比磨损率降低32.3%和53.8%,且摩擦因数曲线的波动幅度和数值均减小。且具有微纳结构的超疏水表面可显著提高Ti6Al4V的摩擦学性能。     

耐久超疏水表面的研究进展

超疏水表面在油水分离、腐蚀防护、防水抗冰等领域具有广泛的研究和应用价值。然而,其实际应用并未达到预期的广泛程度,主要制约因素在于表面的耐久性不足。超疏水表面的失效主要体现在两个方面：一方面,由于表面粗糙结构在承受机械载荷时容易遭受高局部压力而受损;另一方面,由于低表面能分子在高温、光照和强氧化剂等刺激下容易发生分解失效。为了解决上述问题,从耐久型超疏水表面的特点入手,提出了提高超疏水表面耐久性的典型策略。这些策略包括：（1）构建弹性基底,这可以将微结构上的载荷转移至基体,减少微结构受损的可能性;（2）微结构保护,这种方法通过构筑刚性的护盾,保护了更低尺度的纳米结构免于受损;（3）胶黏+涂装,该策略是通过中间层连接,强化基体与表面微纳结构的结合力;（4）利用低表面能物质的自修复能力,这种方法可以在表面受损后通过自我修复特性恢复其超疏水性;（5）微结构的重建,可以在表面粗糙结构遭破坏后,使其恢复原貌。最后,对耐久超疏水表面的发展提出了前瞻性的展望,提出了耐久超疏水表面绿色可持续发展的新方向。     

超疏水表面高效制备方法及其在养殖工程中的应用

目前规模养殖业中养殖舍内灰尘、皮屑、粪污沾染问题严重,严重影响了环境清洁与动物健康。金属超疏水表面由于具有的特殊性质,有望成为改善养殖环境的重要手段。以鸭羽表面结构为仿生原型,以不锈钢为基底材料,利用激光加工方法制备仿生结构,同时利用低温硅油-热处理方法改变表面化学。最后通过超景深显微镜、SEM、XPS、接触角测量仪等对表面的理化性质进行测试。结果表明,通过表面结构与化学的双重影响,制备后的表面获得较好的超疏水性（接触角156.8°,滚动角2.7°）,表面的自清洁性获得大幅提升,同时表面粪污粘附情况得到明显优化。通过激光-硅油热处理工艺,加工效率与经济性相比于传统超疏水表面制备方法得到显著提升,且制备过程清洁环保,可为仿生超疏水功能表面在养殖工程中的应用提供重要支持。     

仿生亲水微轨道-超疏水复合表面液滴可控定向引导研究

目的 实现液滴在超疏水表面定向可控滑动.方法 通过一种简单而有效的方法制备复合仿水稻叶亲水微轨道的超疏水表面.首先使用NaOH腐蚀铝合金表面形成微纳结构,然后浸泡硬脂酸溶液使得粗糙表面自生长硬脂酸超疏水层,最后使用纳秒激光系统去除局部超疏水层,形成用于引导液滴的仿水稻叶微轨道.利用超疏水表面的超强憎水特性及亲水微轨道的亲水性,得到水滴运动各向异性的微结构化表面.通过优化微轨道参数,改变液滴各向异性润湿及滑动特性.结果 随着相邻亲水微轨道间隔的减小,平行微轨道方向接触角也明显减小,液滴沿轨道方向的滑动阻力明显增加.当相邻微轨道间距为500μm时,达到平行亲水微轨道方向和垂直亲水微轨道方向滑动角的差值超过50°,为液滴可控定向引导最佳间距.进一步提出了具有变密度亲水微轨道和曲线排列亲水微轨道的超疏水表面,其具有在特定单方向液滴可控引导的特性,并引导水滴沿微轨道聚集到亲水末端点.通过机理分析得出,液滴在复合表面的各向异性润湿和定向滑动,是由于超疏水表面和亲水微轨道之间的表面能性质差异,以及毛细作用引起的预润湿效应等.结论 本研究制备的复合亲水微轨道超疏水表面可实现液滴定向引导,在集水、水滴混合及污渍去除等领域具有应用潜力.     

超疏水表面抑制结霜研究进展

超疏水表面以其超高的表观接触角和很小的滚动角在工业中获得广泛的应用。综述了近期国内外超疏水表面在抑霜方面的研究新进展,归纳了超疏水表面的冷凝、结冰和落霜过程的过程特点和疏水性对结霜过程的影响。超疏水表面能显著延迟冷凝发生和开始结霜的时间,降低霜层的厚度。与普通表面相比,超疏水表面的霜层结构更为蓬松脆弱,可在外力作用下轻松去除,表现出较好的抑霜性能。由于部分超疏水表面在冷凝阶段丧失疏水性从而丧失抑霜性能,大大地限制了超疏水表面在抑制结霜方面的潜力。纳米结构超疏水表面较好地解决了上述问题,一部分纳米表面由于冷凝液滴的弹跳现象而表现出极佳的抑霜性能。最后,对超疏水表面研究的发展进行了展望。     

透明超疏水表面的研究进展

对于太阳能电池系统、汽车挡风玻璃、相机镜头等光学器件,高透明性是其功能的最重要指标之一.由于这些设备经常暴露在室外,大量的灰尘污垢会严重影响其性能.透明超疏水表面由于具有优异的光学和抗污性能,在光学器材领域有着很高的应用前景.首先总结了表面润湿性理论,主要包括Young润湿方程、Wenzel润湿模型和Cassie润湿模型,通过润湿性理论指出制备超疏水表面的条件——低表面能物质和粗糙结构二者缺一不可.其次,讨论了粗糙度和透明度之间的竞争关系,通过瑞利散射和米氏散射理论,得出制备透明超疏水表面还需要同时满足材料表面粗糙度小于100 nm.然后,归纳总结了近十年来透明超疏水表面常见的制备方法,如溶胶凝胶法、化学气相沉积法、模板法、相分离等方法,并对这些制备思路和方法进行了分析,概括了这些方法当前存在的一些问题.最后,简单介绍了透明超疏水表面在太阳能电池、光学元器件、光催化材料等领域的应用,并对透明超疏水表面的未来研究方向和应用前景进行了展望.     

超疏水/超亲油铜网表面的一步法制备及其油水分离应用

以紫铜网为基体材料,通过阳极氧化一步法,制备了超疏水/超亲油铜网表面,利用热场发射电子显微镜、X射线光电子能谱分析仪、接触角测量仪和万能力学测试机对表面的微观结构,化学成分,润湿性和剥离强度进行表征。结果表明：当阳极氧化电压为10 V时,表面具有明显的微/纳二元粗糙结构,化学成分为豆蔻酸铜;表面上水滴接触角为153°±2.3°,且水滴在表面上的受到的粘附力极低,滚动角为7.5°,油滴接触角为0°;豆蔻酸铜牢固地附着在铜网上,表面具有良好的机械稳定性。油水分离试验表明,制备的超疏水/超亲油铜网对不同种类的油水混合液具有很好的分离效果,分离效率均达到96%以上;经过10次循环试验后,对煤油/水混合液的分离效率仍可达到90%以上,具有良好的可循环使用性。     

超疏水钛合金表面制备及其抗海洋生物附着性能

为提高钛合金抗海洋生物附着性能,采用激光刻蚀技术在Ti6Al4V合金表面构建不同间距的微米级点阵结构,利用聚合物基纳米复合材料构建微/纳双层结构,制备超疏水Ti6Al4V合金表面。用光学显微镜和扫描电镜表征其形貌;用接触角测量仪测量试样的表面接触角;用浅海挂板的方法测试试样的抗海洋生物附着污损性能。结果表明,具有单一微结构的Ti6Al4V合金表面为疏水表面。随着点阵间距的减小,接触角增大。当间距为50μm时,接触角可达131.8o,但试样的表面滚动角较大,将试样竖直甚至翻转,水滴都不滚落;具有微/纳双层结构的Ti6Al4V合金表面为超疏水表面,且随着点阵间距的减小接触角增大,滚动角减小。当间距为50μm时,接触角达163.8o,滚动角仅为1.89o。具有微/纳双层结构的超疏水Ti6Al4V合金表面抗海洋生物附着污损性能显著优于抛光Ti6Al4V合金表面及具有单一微结构的Ti6Al4V合金表面。     

柱状微结构超疏水表面制备及其结霜性能研究

目的研究表面结构与化学成分对结霜性能的影响。方法以具有不同结构参数的多孔阳极氧化铝表面为模板,以高密度聚乙烯为压印热塑材料,采用模板热压法在常压下制备柱状微结构表面。分析表面形貌,测试接触角,通过结霜实验研究其结霜性能。结果柱状微结构表面经化学修饰后,获得超疏水效果。结霜过程实验显示,制备的超疏水表面初始结霜时间更晚,结霜速率更慢。结论通过改变表面结构与表面化学成分均能对表面结霜性能产生直接影响,修饰后的柱状结构表面具有较好的抑霜效果。     

2024铝合金超疏水表面的制备及其耐蚀性能

目的 在2024铝合金基体上制备超疏水表面,从而提高自清洁性能和耐腐蚀性能。方法 采用硫酸和草酸钛钾混合电解液阳极氧化,用月桂酸乙醇溶液修饰,在铝合金基体上制备超疏水表面,用扫描电子显微镜（SEM）、红外光谱和光学接触角测量仪观察、分析超疏水表面形貌、化学结构和润湿性,用电化学交流阻抗和极化曲线测试研究超疏水表面在3.5%氯化钠中的耐蚀性。结果 20 V恒电位阳极氧化时间小于90 min时,随着时间的增加,接触角增大。铝合金在0.5 mol/L硫酸和0.01 mol/L草酸钛钾混合电解液中阳极氧化90 min,并在5%（质量分数）的月桂酸乙醇溶液中修饰1.5 h,能制备出最优的超疏水表面,接触角为157.99°。在3.5%氯化钠中浸泡14天后,超疏水铝的交流阻抗值高于空白铝4个数量级,Tafel极化曲线解析表明,保护效率为99.92%。结论 在低浓度硫酸中对铝阳极氧化,并用月桂酸修饰能够成功制备出超疏水表面。所得表面展现出良好的耐腐蚀性,并且耐孔蚀性能得到改善。     

表面动态脱水仿生技术及其应用

应用于空中、陆上、海上及深海的一些重要装备关键构件表面的附着水严重削弱了其自清洁、防污抗锈蚀等特殊性能.利用基于仿生策略研发的表面快速脱水技术,可高效、实质性地剥离表面黏附水,具有重要的现实意义.总结了现阶段关于表面脱水的研究进展、科研趋势及应用局限性,从自然界中生物对润湿现象的优异控制行为与功能原理出发,概述了水的动、静态界面现象及其机理,重点阐述了三相接触线"去钉扎"(De-pinning)理论、接触时间等因素对表面水的动态剥离所起的决定作用.以黏附水在脱离表面时是否存在额外能量消耗,将脱水行为分为"被动脱水"和"主动脱水"两大类,归纳了表面的动态脱水行为及应用优劣势.概括了荷叶、鸟类羽毛等被动润湿控制行为与表面刚度、特殊宏观纹理、倾斜角度对表面脱水、固液接触时间的积极影响及应用研究.在此基础上,进一步总结翠鸟、蜂鸟、蚊虫、哺乳动物在其主观意识下的晃动、高速移动等主动脱水行为的功能原理,列举了采用动力装置驱动表面实现移动、振动脱水效果的仿生应用研究进展.最后,探讨并展望了应用移动、振动等仿生运动诱导,结合表面超疏水性、各向异性等优异特性协同的脱水策略,利用"仿生主动脱水"与"被动快速脱水"有机结合,实现表面水体实质性脱附的优缺点及其应用前景.     

一步法制备磷铜网超疏水表面及其在油水分离中的应用

针对超疏水材料制备过程耗时、耗力或成本高昂的问题,采用一步法制备了磷铜网基超疏水表面。室温下将磷铜网浸入到十二烷基硫醇乙醇溶液(0.01 mol/L)与蒸馏水的混合溶液(体积比1∶3)中反应12 h,制备了具有规整珊瑚状Cu_2O纳米结构的磷铜网基超疏水表面。结果表明,该表面呈现对水高的前进角(161.2°±0.7°)和后退角(160.2°±0.3°),极低的接触角滞后(1.1°±0.5°)。另外,该疏水性磷铜网对汽油、柴油、正己烷、氯仿4类油和有机物质分离效率均大于98%。对比传统的两步法合成过程,该方法具有操作简单、物料损耗少、反应时间短和效率高等优点。这表明该制备方法简单、廉价、节省时间,能够在磷铜网表面制备出规整的Cu_2O纳米结构,从而为超疏水表面的大规模实际应用提供了借鉴和参考。