微纳超疏水钛合金表面的制备及其性能研究

目的 制备超疏水自清洁的Ti6Al4V合金表面。方法 首先使用飞秒激光在Ti6Al4V合金表面预制备微米级结构,然后将预制备的样品置于1.0 mol/L的氢氧化钠溶液中,在超声水浴状态下进行电化学去合金,获得微纳米复合结构。经表面改性后,得到微纳超疏水钛合金表面。结果 经复合制备的微纳超疏水表面结构由微米级的梯形凸柱阵列,以及通过电化学去合金形成的三维纳米孔洞骨架和沉积的微米或亚微米金属氧化物组成。经过表面改性后,该微纳复合结构表面呈现优异的超疏水性,其接触角可达162.5°,滚动角低至3.4°。自清洁性能测试结果表明,该微纳超疏水钛合金表面展现出优异的低黏附性和自清洁性,1滴水对表面的清洁效率达到99.8%。激光加工参数与静态水接触角之间的关系表明,接触角与扫描间距呈负相关,与能量密度、重复次数呈正相关。结论 飞秒激光结合电化学去合金方法制备的具有微纳结构的钛合金表面呈现出优异的超疏水自清洁性能,通过改变激光加工参数能够有效增大表面的静态水接触角,为后续研究提供了一定参考。     

Preparation of the Thermal-assisted Self-healing Bionic Super Slippery Surface on Aluminum Alloy Substrate and the Effect of Lubricant on Its PerformanceEI北大核心CSCD

仿猪笼草超滑表面具有疏液性和防污性等优异性能。然而仿生超滑表面的润滑油膜受损后,其超滑性能会被破坏, 因此制备具有自修复性能的仿生超滑表面对于解决其耐久性差的问题至关重要。首先采用阳极氧化法在铝合金基体表面制备锥形微结构,然后经过全氟硅烷进行低能修饰,最后往微结构间隙中注入全氟聚醚、低黏度硅油和高黏度硅油三种不同的润滑油,得到三种仿生超滑表面。水滴在三种仿生超滑表面的接触角分别为~116°、~105°、~103°,滑动角分别为~10°、~10°、~9°。试验结果表明,全氟聚醚和低黏度硅油的仿生超滑表面比高黏度硅油的仿生超滑表面具有更优的自清洁性和防污性,可以有效地预防污染物堆积造成的疏液性失效。此外,全氟聚醚与低黏度硅油的仿生超滑表面呈现较好的热辅助自修复性,修复后的疏水性与新制备样品基本一致;高黏度硅油仿生超滑表面只表现出一定的自修复能力,修复后与新制备样品的疏水性存在差异。所制备出的具有热辅助自修复功能的铝合金基底仿生超滑涂层,在海洋生物污损防护方面具有潜在的应用前景,并为克服传统仿生超滑表面使用耐久性差的问题提供了解决思路。     

加工参数对AZ91D镁合金表面超疏水性能的影响

通过优化加工参数,在镁合金表面获得优良的超疏水性能。用激光刻蚀法获得微米结构,结合纳米涂覆技术制备微/纳米复合结构,再结合低表面能物质,制得超疏水表面。系统研究了加工参数对超疏水性能的影响。通过接触角和滚动角测试,评价镁合金表面的超疏水性,并通过扫描电子显微镜对复合结构表面形貌进行分析。采用涂覆法在激光加工后的基体上成功获得了超疏水改性层。加工参数对AZ91D镁合金超疏水性具有重要的影响。当采用点阵形貌,点阵间距50μm,加工电流为15 A,纳米分散液浓度15 g/L时,AZ91D超疏水表面的静态接触角达到最大值161.1°,滑动角为2.109°,超疏水性能达到最佳。     

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.     

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。     

超快激光制备仿生织构研究进展

织构化可使零件或设备表面实现降低磨损、改变润湿性并提高抗反射性的效果，在医疗、机械、航空和海洋等领域展现出强大活力。为提升织构效果，表面织构技术引入仿生设计，通过在材料表面加工出类似生物表层的微/纳结构以达到特种表面需求。超快激光织构化是目前较为先进且重要的一种织构加工技术，针对超快激光制备仿生织构表面进行系统总结十分必要。对激光加工原理，以及制备耐磨性、润湿性、抗反射性三类特种表面的研究现状进行综述，简述三类织构表面的作用原理、仿生设计与优化。结果表明，超快激光可在材料表面制备出低热源损伤、高表面性能的精细仿生织构，通过仿生自然界中的生物表面结构，织构表面能够实现降低表面摩擦因数，获得超亲/疏水表面以及优异的抗反射性能。但超快激光无法准确烧蚀出所需织构尺寸结构，需要对激光加工进一步研究，将设计与加工紧密联系，构建超快激光织构化体系，实现未来超快激光织构化生产应用。     

激光刻蚀法制备GH4169超疏水表面及性能研究

采用光纤激光打标机在GH4169基底上刻蚀出微观结构,并通过在1.0%氟硅烷(FAS)乙醇溶液中改性降低表面能制备GH4169超疏水表面。该超疏水表面能达到接触角大于160°且滚动角小于10°。通过扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、接触角测量仪对样品的微观结构、元素组成及润湿性进行表征和分析。采用单因素实验探究光纤激光打标机的扫描频率、功率以及速度对GH4169表面润湿性的影响规律,并对制备出的超疏水表面的粘附性和自清洁性进行了测试。     

激光-热处理复合工艺制备油水分离表面及性能研究

目的 研发一种高效、低成本的激光-热处理复合工艺,制备具有油水分离性能的泡沫铜表面,为石油污染的净化提供一种有效的参考方法。方法 首先利用纳秒激光在泡沫铜表面上诱导出多级微纳米结构,然后将泡沫铜放入低温烘箱中加热处理,通过调控激光参数和热处理相互作用制备出了超疏水超亲油泡沫铜表面,并使用扫描电子显微镜、光电子能谱仪和接触角测量仪,对激光加工前后泡沫铜表面的微纳结构、表面化学元素组成和油水在表面的润湿性进行了表征。结果 泡沫铜表面经纳秒激光加工后诱导生成的多级微纳结构受到包括激光扫描速率、激光加工功率和扫描间距等激光加工参数的显著影响。同时,配合低温热处理工艺,激光制备泡沫铜表面的化学成分快速转变,表面能显著降低,使得泡沫铜表面获得了超疏水超亲油的润湿特性。本工作制备的泡沫铜表面在空气中的最大水接触角为158.5°,油接触角为0°。并利用油水分离试验装置验证了激光-热处理复合工艺制备的超疏水超亲油泡沫铜表面可以使油和水选择性通过,分离效率超过90%。结论 激光-热处理复合工艺制备的具有多级微纳结构的泡沫铜表面具备优异的超疏水超亲油特性,展现出了良好的油水分离性能,有望实现海洋生态中石油污染的净化。     

超疏水表面激光加工技术研究进展EI北大核心CSCD

超疏水表面作为最具代表性的功能性表面得到广泛的应用,激光加工技术凭借超高加工精度和高度可控等特性,成为制备超疏水表面微纳尺度结构的有利工具。已有大量相关试验研究,但鲜有对加工机理和方法等进行归纳总结。从润湿理论出发,分析超疏水表面激光加工技术研究现状。按照微纳结构成型方式,归纳总结增材和减材激光加工制备超疏水表面的成型机理。基于成型机理系统梳理超疏水表面制备的研究进展。分析制备过程中影响材料表面超疏水性的因素。针对超疏水表面机械稳定性问题,梳理改善和提高表面机械稳定性的方法。简述超疏水表面研究中存在的问题及其发展趋势,指出试验研究结果的规律性总结的局限。与仅论述激光减材制备超疏水表面的综述类文章不同,从增材和减材两个方面论述激光加工制备超疏水表面的机理,详细分析激光减材制备超疏水表面的制备方法和表面疏水性影响因素,对未来激光加工制备超疏水表面更深层次的研究具有指导意义。     

仿生微织构与氟硅烷修饰对6061铝合金浸润性的影响

利用激光辐射效应在铝合金表面构建仿生微织构,通过自组装工艺在微织构表面实现氟硅烷改性处理,制备得到特殊浸润性表面。 利用扫描电镜、三维形貌仪、接触角测量仪对试样微观形貌和浸润性进行表征。 测试与分析结果表明,仿生微织构和氟硅烷修饰对构建特殊浸润性表面起到重要作用;微织构的形貌差异、加工矩阵间距的变化均会影响试样表面对水接触角。 通过数学模型的计算进一步证实,仿生微织构表面具有的超疏水浸润状态符合 Cassie 模型预测。     

仿生表面减阻的研究现状与进展

仿生表面减阻是众多减阻方法中非常有前景的减阻方式。目前研究最多的是仿生鲨鱼皮减阻和仿生超疏水表面减阻,其中仿生鲨鱼皮表面减阻又分为直接复刻鲨鱼皮表面的盾鳞结构和仿鲨鱼皮沟槽减阻。文中介绍了国内外关于仿生减阻的最新研究进展及成果,综述了仿生鲨鱼皮表面减阻和仿生超疏水表面减阻的研究现状,探讨了仿生表面减阻未来的发展方向和研究重点。虽然仿生超疏水表面一般都具有粗糙的表面微纳结构以及较低的表面能,但不是所有的超疏水表面都具有减阻效果,因此超疏水表面的减阻效果还需要一个度量标准。     

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。     

激光加工超疏水表面抗结冰性能研究进展

在低温环境中，表面结冰会严重影响户外装备的运行效率和安全，基于疏水材料的新型被动式防除冰方法引起了广泛关注。超疏水表面凭借其优越的拒水、抑制冰核形成和降低冰黏附强度等能力，在防除冰技术领域表现出广阔的应用前景。激光加工技术具有高效率和灵活性，成为制备超疏水表面的有效方法，并被进一步用来研究表面的抗结冰性能。首先，概述了固体表面润湿理论和结冰机理。其次，综合评估了激光加工超疏水表面的抗结冰性能，包括静态水滴延迟结冰时间、动态水滴累积、冰黏附强度、延迟结霜与抗冻能力、表面积冰与除冰等方面。静态水滴延迟结冰时间受到水滴与表面接触界面的成核速率和传热速率的影响，动态水滴累积与表面润湿性密切相关，冰黏附强度反映了表面对冰的附着性和除冰的难易程度。超疏水表面具有显著的延迟结冰能力，但在低温高湿条件下，表面的超疏水性可能会减弱，甚至失效。除冰过程也可能破坏超疏水表面的微观结构，进而影响其持续的抗结冰性能。最后，对超疏水表面激光加工与抗结冰性能的未来研究方向进行了展望。     

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。     

疏水/超疏水Ti合金表面液滴的运动特性

采用激光加工技术在Ti6Al4V合金表面构建点阵微结构,利用自组装分子膜技术在微结构表面沉积低表面能物质,制备疏水/超疏水表面。采用自制测试系统测试液滴在试样表面的静态接触角和滚动角,用高速摄像机拍摄液滴滴落到试样表面的运动过程。结果表明,经激光加工和低表面能修饰可构建Ti6Al4V疏水/超疏水表面,其最大接触角为151.4°,表面静态接触角随点阵间隔的增大而减小;液滴静态接触角与液滴滴落高度相关,同一表面上的液滴静态接触角由最后一次滴落高度决定。液滴滴落到水平试样表面的铺展系数由试样表面粗糙度和静态接触角决定,表面粗糙度和静态接触角越大,液滴铺展系数越小。当滴落高度从0 mm增大到20 mm时,铺展系数的增大幅度约为50%。     

Superhydrophobic aluminum alloy surface with excellent universality,corrosion resistance,and antifouling performance prepared without prepolishing

It is urgently necessary to seek more simple and effective methods to construct superhydrophobic metal surfaces to improve the corrosion resistance and antifouling performance. Herein, a facile method for fabricating superhydrophobic aluminum alloy surface is developed via boiling water treatment and stearic acid modification. It is noteworthy that no prepolishing on aluminum alloy is required and no caustic reagents and typical equipments are used during the preparation procedure. Therefore, the fabrication method is quite a simple and environment-friendly technique. Both micro- and nano-scaled binary structure forms at the resultant aluminum alloy surface while long alkyl chains are grafted onto the rough aluminum alloy surface chemically. Consequently, the resultant aluminum alloy exhibits outstanding superhydrophobicity. More importantly, the superhydrophobicity has excellent universality, diversity, stability, excellent corrosion resistance, and antifouling performance. The facile preparation, excellent superhydrophobic durability, and outstanding performance are quite in favor of the practical application.     

光热超疏水材料防除冰机理及应用研究进展

液滴的冻结、积聚往往会对生产、生活造成不利影响,降低设备的运行功效,甚至严重危害生命安全。相较于需要借助外力的主动式防除冰技术,超疏水表面优异的拒水性使其能够实现被动式防除冰,且无需消耗外部能量,从而受到广泛关注。在此基础上,光热超疏水表面结合了主动防除冰和被动防除冰两方面的优势,能在结冰过程的各个时期发挥作用。比如,在结冰前促进液滴的自清除,在结冰时升温表面、延缓成核,在结冰后加速融冰、快速除冰,从而实现节能且高效的固体表面防除冰。概述了超疏水表面的润湿特性和防除冰机理,重点介绍了不同种类光热材料的光热转化机理,包括基于分子热振动的碳纳米光热材料,基于纳米粒子等离激元效应的光热材料,以及基于电子?空穴对非辐射弛豫的半导体光热材料。总结了常用的提高光热转化效率的思路方法,并对比了各类光热超疏水表面在结冰、防冰、除冰及光热响应等方面的性能。最后,针对光热超疏水材料在制备和实际应用中可能存在的问题,分析了未来的发展方向与面临的挑战,为光热超疏水材料的进一步发展与应用提供思路。     

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。