镁合金超疏水表面制备的研究进展

利用超疏水表面可望减少材料与液体介质的直接接触来提高材料的耐蚀性能,在制备自清洁表面等方面得到了广泛研究。超疏水表面一般通过构造一定表面粗糙度和用低表面自由能物质修饰表面而成。在简要概括固体表面润湿性理论的基础上,针对镁合金的特点,综述了当前镁合金上超疏水表面制备的最新进展,并讨论了提高其性能的可能途径和未来的发展方向。     

激光纹理化调控材料表面疏水性能研究进展

超疏水表面由于具有减阻、抗污、防水等独特性能,广泛应用于日常生活、军事、工业等场景,材料表面的微纳结构及化学成分对其超疏水性能有着重要影响。激光纹理化技术由于具有加工分辨率高、加工方式灵活、可加工材料多等优势,可用于制备疏水性能精确可控的表面微纳结构,在制造超疏水表面方面有着广阔的应用前景。首先,介绍了激光纹理化的作用机理,综述了常用的激光纹理化方式,如激光直接写入法、激光干涉图案化法及激光诱导周期性结构法等,并介绍了激光参数对微纳结构的影响。根据表面微纳结构的形貌、周期及尺寸特点对激光纹理化制备的表面分层微纳结构进行了总结归纳,包括覆盖随机纳米结构或激光诱导周期性结构的微沟槽、微网格、微柱及微峰,重点介绍了分层微纳结构的制备方式及微纳结构对疏水性的影响。总结了提高分层微纳结构表面疏水性的后处理方式,包括环境老化、表面化学改性及热处理等,并介绍了后处理方式调控疏水性的作用机理。最后,对采用激光纹理化技术制备超疏水表面的应用前景进行了展望。     

基于格子Boltzmann方法的疏水表面润湿性数值模拟

润湿性对固体表面上液体的各种动力学行为具有重要影响,疏水表面的特殊润湿性是其在减阻、降噪、防污等领域有着广泛应用前景的根本原因。基于Shan-Chen模型的格子Boltzmann方法对疏水表面润湿性进行数值模拟,获得了材料属性和微形貌对疏水表面润湿性的影响规律。研究表明,要使疏水表面处于Cassie-Baxter润湿状态,微形貌高度必须大于某一临界值,而当疏水表面一旦处于Cassie-Baxter润湿状态后,继续增加微形貌高度也不会提高其疏水性能;疏水表面的表观接触角随气液界面分数先增大后减小,且存在一个最佳的气液界面分数使表观接触角达到最大。     

超疏水固体表面的制备及其量化表征

超疏水表面是指对水的接触角θ超过150°且滚落角α低于2°的固体表面,用来解释超疏水现象的两种经典理论分别是Wenzel模型和Cassie模型.在表征表面超疏水性时,除常用的θ、α外,接触角滞后△θ、斜面上液滴滞留在材料表面上的最大半径Rc、两种状态转化时的临界压力△p以及液滴落下后能反弹的临界撞击速度Vc也是非常重要的参数.依据表面微细结构和低表面自由能是构成超疏水表面的两个重要条件,阐述了通过在疏水表面构建表面微细结构和用低表面能物质修饰粗糙表面这两种方法制备超疏水表面,并提出了今后研究中应该注意的一些问题.     

超疏水涂膜的研究进展

从固体表面的润湿性理论出发介绍了三种不同的接触角模型和理论方程,阐明了实现超疏水性的两个必要条件:低表面能表面和特定的细微粗糙度。同时综述了国内外制备超疏水涂膜时常用的疏水材料和制备粗糙表面的方法、动态疏水性及其应用前景。     

随机结构粗糙表面的湿润性研究

依据荷叶表面具有的不规则自相似微纳双重结构,引入分形几何学构造类似荷叶的随机分形结构,建立相应的Cassie、Wenzel模型接触角方程,分析随机分形结构的分形维数和结构参数对其润湿性的影响。结果表明:分形结构表面的分形维数越大,结构越致密,接触角越大;分形结构中微/纳尺度参数之比越大,接触角也越大。然而,随机结构即使分形维数趋于最大的3.0,Wenzel模型表观接触角也不能达到超疏水的150°,Cassie模型最大表现接触角大于150°;更适合用于制备超疏水表面。     

基于多孔氧化铝腐蚀的表面结构制备及其疏水性能研究

先采用阳极氧化法在铝基板上制备了多孔氧化铝(AAO)膜,并以铝基AAO膜作为前驱物,采用化学腐蚀溶液分别制备出了具有纳米结构、微米结构和微纳复合结构表面的薄膜材料结构。利用扫描电子显微镜、荧光分光光度计和电子能量色散谱仪等测试手段分析了薄膜材料表面结构,并在薄膜表面涂覆低表面能物质氟硅烷薄膜研究这些表面结构的疏水性能。研究结果表明:通过控制化学腐蚀时间可以在铝基AAO膜表面分别获取纳米结构、微纳复合结构和微米结构;与未腐蚀的AAO膜表面相比,三种表面结构都有效提高了疏水薄膜表面的疏水性能;在NaOH溶液腐蚀16 min条件下,表面呈现微纳复合结构,具有超疏水性能,水的接触角达到155°。     

微纳米颗粒/硬脂酸超疏水涂层的仿生构建及其性能研究

通过一步喷涂法将微纳米表面构建与低表面能物质修饰相结合,制备了超疏水仿生涂层;开展超疏水材料涂覆技术研究,分析总结不同涂敷方式对涂层的性能影响;测定了不同粉体种类与浓度下涂层的疏水性能差异,分析评价其对涂层疏水性能的影响;优选涂层材料配比对混凝土试块进行疏水改性,并测试其防污性能;通过LW-AB法表面能计算,探讨了涂层粗糙度与表面能之间的关系,并使用SEM对其表面微观形貌进行了表征。结果表明,在添加微纳米颗粒的情况下,喷涂制备的涂层接触角比浸涂制备的涂层大1/3左右,滚动角比浸涂制备的涂层小85%以上,体现了较好的疏水性能;涂层的疏水性能受表面能与粗糙度的影响,且随着硬脂酸浓度的增加、粉体浓度的增加与粉体颗粒粒径的减小,涂层的疏水性能呈增强的趋势,接触角达到165.27°,滚动角低至0.9°;经过超疏水处理后,混凝土试块表现出明显的防污与自清洁性能;表面能计算表明,在添加同样硬脂酸含量的条件下,随着粗糙度的增加,涂层表面的降低至4.89 mJ/m~2,仅为纯硬脂酸涂层的26.84%。     

基于Boltzamnn方法的表面微纳结构对材料润湿性能的影响

采用格子Boltzmann方法从理论和数值计算角度探究了具有微柱阵列材料表面的润湿性,从而为材料表面形貌设计和加工提供参考。通过改变微柱的尺寸来探究材料表面的微纳结构与润湿性能的关系。采用Shan-Chen模型和D2Q9离散速度模型计算液滴的接触角。仿真结果表明对于疏水表面随着微柱的面积分数减小材料疏水性能增加,并且修饰微纳复合结构能使Cassie-Baxter状态更加稳定;对于亲水表面,增加微结构或微纳复合结构会使材料表面更加亲水。仿真结果和理论与现有实验结果一致。     

超疏水表面的润湿性及其应用研究

润湿性是衡量超疏水表面疏水强弱的最重要特征之一,主要由表面化学组成和表面微观结构共同决定.简述了超疏水表面的润湿性理论,综述了超疏水表面的最新研究进展,包括制备方法、应用研究及理论分析,详细介绍了其在自清洁和减阻方面的应用,最后提出了现阶段超疏水表面研究所面临的问题,并展望了其诸多领域的发展前景.