Spontaneous Directional Self-Cleaning on the Feathers of the Aquatic Bird Anser cygnoides domesticus Induced by a Transient Superhydrophilicity

In nature, the feathers of the goose Anser cygnoides domesticus stay superhydrophobic over a long term, thought as the main reason for keeping the surface clean. However, contaminants, especially those that are oleophilic or trapped within textures, cannot be removed off the superhydrophobic feathers spontaneously. Here, a different self-cleaning strategy based on superhydrophilic feathers is revealed that is imparted by self-coating of the amphiphilic saliva, which enables removing away low-surface-tension and/or small-size contaminants by forming directional water sheeting depending on their unique anisotropic microstructures. Particularly, the surface superhydrophilicity is switchable to superhydrophobicity upon exposure to air for maintaining a clean surface for a long time, which is further enhanced by coating with self-secreted preening oil. By alternate switching between a transient superhydrophilicity and a long-term stable superhydrophobicity, the goose feathers exhibit an integrated smart self-cleaning strategy, which is also shared by other aquatic birds. An attractive point is the re-entrant structure of the feathers, which facilitates not only liquid spreading on superhydrophilic feathers, but also long-term stability of the cleaned surface by shedding water droplets off the superhydrophobicity feathers. Thus, artificial self-cleaning microtextures are developed. The result renews the common knowledge on the self-cleaning of aquatic bird feathers, offering inspiration for developing bioinspired self-cleaning microtextures and coatings.     

基于蜻蜓翅脉结构的连续碳纤维增强树脂基复合材料仿生设计与增材制造

以具有轻质高强优异性能的蜻蜓翅脉结构为设计灵感，在分析翅脉网格结构抗冲击原理的基础上，设计了传统和仿生两类对比结构。采用熔融挤出3D打印机成功制备了具有不同结构的连续碳纤维增强聚乳酸复合材料试样，并对不同结构复合材料试样的拉伸性能和抗冲击性能进行了测试和对比分析。研究分析结果表明：由于拉伸力方向上的连续碳纤维含量相对较少，限制了仿生结构复合材料抗拉强度的提高，但仿生结构的平均抗拉强度为传统结构的1.18倍；当仿生结构复合材料试样受到冲击力时，其内部六边形结构的连接角度会发生变化，从而极大消耗冲击能量，同时具有六边形网格结构的连续碳纤维可以有效阻碍裂纹的扩展，因此仿生结构的平均冲击韧性可以达到传统结构的2.46倍；仿生蜻蜓翅脉结构可以显著提高增材制造复合材料的综合力学性能，且对于抗冲击性能的提高具体突出效果。连续碳纤维增强树脂基复合材料的有效可行的仿生蜻蜓翅脉结构设计和增材制造，可极大扩展其在高冲击载荷领域中的相应应用。     

轨腰仿生自分层防腐梯度涂料合成及影响因素和结构探究

目的仿荷藕结构及功能,制备一种自分层防腐涂料。方法合成聚氨酯改性环氧树脂(PU/EP)及氟硅改性丙烯酸树脂(氟硅改性PAA),将两种树脂共混形成自分层涂料。通过铅笔硬度测试、机械性能测试、接触角测试、耐老化测试、划格法附着力测试、电化学阻抗测试等,分别评价两种树脂比例、混合溶剂比例对涂膜自分层行为及性能的影响,并通过SEM-EDS、红外光谱等表征技术分析涂膜分层后的结构。结果当PU/EP∶氟硅改性PAA=1∶1时,接触角达到96.0°,柔韧性为0.5 mm,耐冲击为50 cm,附着力等级为1,失光率降至19%;乙酸丁酯(NBAC)∶正丁醇(NBA)=4∶6时,涂膜分层情况良好,接触角达到107.7°,浸泡水中48 h耐水性无变化,失光率降至17%。SEM-EDS、红外光谱分析表明,自分层涂膜上层为氟硅改性PAA、底层为PU/EP,中间存在过渡涂层,过渡层两种树脂中的─COOH、─OH、环氧基发生反应,使整个涂层更具稳定性。经由EIS分析,在3.5%NaCl溶液中浸泡40天后,腐蚀介质没有渗透涂膜到达基底金属界面。结论制备的轨腰仿生自分层涂膜的机械性能、附着力、疏水性、耐老化、防腐蚀性能优异,涂膜结构稳定。     

刮板输送机中板仿生耐磨优化试验研究

刮板输送机中板磨损失效已成为输送机运行故障的主要原因之一，为了提高中板耐磨性，基于蜣螂非光滑单元进行了仿生中板设计，以磨损量为响应值，进行了单因素和响应面法优化试验。根据响应面法试验结果得到的因素显著性影响顺序（从高至低）依次为：径向距离，深径比，直径，节距角。基于试验结果建立了磨损量与因素的回归预测模型，经试验对比发现，预测模型与真实试验的相对误差为3.2%。在特定工况（煤散料粒度为6~8 mm、载荷为20 N、刮板链速为0.65 m/s及试验时长为6 600 s）下，当深径比为1.41、直径为0.69 mm、节距角为6.55°和径向距离为4.66 mm时，磨损量最小，仿生中板的耐磨性提高了12.6%。分析其耐磨机理发现，与光滑板相比，仿生板的磨粒磨损及黏着磨损较轻。凹坑分布可破坏持续切削中板表面的煤粒运动状态。中板的仿生优化可为今后刮板输送机的设计提供一定参考。     

Fabrication and use of artificial superhydrophilic surfaces

Superhydrophilic surfaces have recently received some attention due, in large part to the intense interest on the antonymous field of superhydrophobicity. Imparting superhydrophilicity onto surfaces through coatings, texturing, or choice of materials appears to hold significant commercial promise for the protection for optical devices (e.g. anti-fogging), self-cleaning, and stain resistant paints and flooring and use in the area of ‘intelligent’ coatings. In this review, the fabrication and application of artificial superhydrophilic surfaces are discussed. The focus is on results reported over the past decade for these materials. The contents of this review are written to provide an introductory yet comprehensive overview of this emerging field.     

氟碳-纳米自清洁粉末涂料的制备

采用自制的全氟聚醚聚酯树脂与活性纳米Al2O3微粒,制备出F-C纳米自清洁粉末复合涂料。经扫描电镜、接触角测试仪等测定,涂层表面呈F元素的纳米微观结构,接触角大于150°。实验表明,这种F-C纳米自清洁涂料具有超强的耐候性、抗强碱性及明显的超疏水性。     

逆流再生双室固定床的改造

通过分析我矿水处理主体设备—逆流再生双室固定床存在诸多问题的原因,提出用自清洗双室双层浮动床的新技术对原设备进行改造,重点阐述了自清洗双室双层浮动床的设计思路、特点、改造的方案,并通过改造前后实际效果的对比和经济效益分析来说明其在电厂水处理中具有广阔的使用前景。     

硬质合金激光改性协同仿生微织构对硼掺杂金刚石涂层性能的影响

目的 研制应用于超精密加工领域的高性能金刚石涂层,探究硬质合金基体表面激光微织构对硼掺杂金刚石(BDD)涂层沉积质量的影响,分析不同类型的仿生微织构对基–膜结合强度、工具切削性能的改善效果及原因。方法 在硬质合金表面使用激光脉冲制备不同类型的仿生微织构,并通过热丝化学气相沉积(HFCVD)法在刀具表面沉积BDD涂层。采用数显洛氏硬度计(HRS-150)、超景深三维显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、白光干涉表面轮廓仪、拉曼光谱(Raman)对样品进行表征。通过压痕试验及铣削试验研究涂层的附着强度和刀具的切削性能。结果 激光微织构边缘发生表面硬化。激光微织构区域沉积BDD涂层后,基体表面缺陷显著降低,织构内部金刚石晶粒更密集,沉积质量提升,三角织构(TT)边缘的金刚石颗粒堆积坡度最缓,不同类型的织构化BDD涂层的粗糙度、金刚石纯度、切削性能及附着强度均不同,涂层附着力与表面硬度呈正相关。硼掺杂三角织构(BDTTD)涂层刀具具有最佳的切削性能。结论 织构边缘和内部具有更高的金刚石二次成核率和沉积质量。织构的存在可以提升BDD涂层的附着强度和刀具性能,并且织构边缘的涂层附着力最强,这些得益于激光烧蚀及仿生微织构对硬质合金表面的硬化及对BDD涂层内在缺陷的修复。     

基于飞秒激光和自组装技术提高树脂涂层疏水性的工艺

目的 针对超疏水涂料功能持久性差的问题,提出一种将飞秒激光加工技术与微球近场效应原理相结合在氟化有机硅树脂表面制备微纳米仿生结构的解决方案。方法 模仿蝴蝶翅膀鳞片微结构特征,以平滑的氟化有机硅树脂表面为基体,采用纳米自组装技术在其表面生长一层二氧化硅微球薄膜,然后设置飞秒激光器的参数,利用激光脉冲能量加工单层二氧化硅微球薄膜,二氧化硅微球颗粒对激光能量有进一步的聚焦加强作用,可以加工微纳米尺寸的结构。重点研究激光功率和扫描速度等参量对氟硅树脂图案形貌及疏水性的影响,并对比分析超疏水涂料和仿生微纳米表面的疏水功能持久性。结果 激光扫描速度和功率参量对仿生表面疏水性能的影响较大,在激光功率为9 mW、扫描速度为10 mm/s、加工间距为10μm时可以获得最佳疏水性能,其接触角达到150°以上,通过常用的摩擦磨损测试实验,对比分析实验结果发现,氟硅树脂层经历200～1000次摩擦后,其接触角（CA）的下降幅度低于传统涂料组,说明具有仿生纳米坑结构的表面的耐磨性更强。结论 利用飞秒激光加工的纳米微孔阵列结构可以明显提高氟硅树脂的疏水特性,并具有优异的持久性。     

镁合金表面自清洁、自修复防护膜研究

目的在镁合金表面制备具有自清洁、自修复功能的防护膜,实现镁合金的智能防护。方法采用提拉法在AZ61镁合金表面制备含有pH敏感型"核/壳"纳米结构缓蚀剂的无机-有机杂化硅膜,该膜层具有自清洁、自修复功能。利用扫描电子显微镜(SEM)表征膜层表面形貌,利用接触角测量仪(CA)表征膜层的润湿性和粘附性,利用粉笔灰模拟测试膜层的自清洁功能,利用电化学工作站测试膜层的防护性能,并结合分光光度计对缓蚀剂释放浓度的检测来评价膜层的自修复功能。结果制备的膜层中含有大量pH敏感型"核/壳"纳米结构缓蚀剂,且表面粗糙。水在膜层表面的静态接触角高达156.7°,而滚动角只有5°,表明膜层具有超疏水、低粘附特性,这样水滴滚落到膜层表面时,能够带走膜层表面的污染物,从而实现自清洁功能。开路电位及分光光度计测试表明,溶液pH的变化引起膜层中缓蚀剂释放,从而使膜层实现自修复。极化曲线测试结果表明,含有"核/壳"纳米结构缓蚀剂的膜层样品的腐蚀电流密度比镁合金基底样品小了接近2个数量级,其缓蚀效率可达99.36%。电化学阻抗谱(EIS)测试结果显示,含有"核/壳"纳米结构缓蚀剂的膜层阻值高达85105Ω·cm~2,且具有较持久的自修复防护能力。结论成功制备了含有pH敏感型"核/壳"纳米结构缓蚀剂的无机-有机杂化硅膜,该膜层具有自清洁、自修复功能以及优异的防护性能。