疏水/超疏水船用铝合金表面制备及其耐久性

采用溶胶-凝胶法将SiO2纳米粒子涂覆在抛光和经激光刻蚀的船用铝合金表面,制备疏水/超疏水铝合金表面。利用使试样负载并在砂纸上摩擦滑行的方法测试疏水/超疏水表面的耐久性,结果表明:抛光表面的接触角随SiO2浓度的增高而增大,最大可达150.8°,但表面对水滴具有强黏附力。当摩擦滑行距离达到10m时,接触角小于铝合金表面原始接触角72.3°;激光刻蚀的网格和点阵微结构表面既具有超疏水特性又呈现出低黏附力;且网格表面的接触角更大,最大达155.4°,滚动角更小,最小仅为0.34°。当摩擦滑行距离达到10m时,表面依然疏水,且网格微结构的耐久性更强。     

船体用钢板基底超疏水表面的制备和性能

采用激光加工技术构建微米级的表面微结构,将SiO₂纳米粒子均匀分散在低表面能含氟聚合物中形成聚合物基纳米复合材料,并将其涂覆在表面微结构上构建微纳双层仿生结构,获得了超疏水船体钢板表面。用光学显微镜、扫描电镜和x射线光电子能谱等手段表征其形貌和表面元素,用接触角测量仪测量了表面接触角。结果表明,与具有单一的微米或纳米结构的表面相比较,具有微纳双层结构的表面可以获得更大的接触角。接触角与纳米SiO₂浓度有关,浓度越高,接触角越大。当SiO₂的浓度为0.167mol/L,接触角可达168 2°。单一微米结构和纳米结构的表面符合Wenzel模型,即使将表面竖直放置,液滴仍不会滚落。微纳双层结构的表面符合Cassie模型,具有大的接触角和小的滚动角,且滚动角随SiO₂浓度的增大而减小。当SiO₂的浓度为0.167mol/L,滚动角仅为0.29°     

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。     

超疏水Ti6Al4V表面的制备及其润湿性

为了使Ti6Al4V合金具有超疏水特性,采用激光技术加工规则点阵状纹理,然后采用自组装技术在试样表面制备自组装分子膜,得到了超疏水Ti6Al4V表面.激光加工构造的微米级点阵结构规整,形成了具有一定高度的类似锥台或柱状的凸起.通过激光加工和沉积自组装分子膜,Ti6Al4V试样表面的水接触角显著增大,最大可达到151°.将测得的接触角与分别用Wenzel模型和Cassie模型计算的理论值进行比较,实测结果更接近Cassie模型的结果.通过改变激光加工表面微结构的参数,可以控制表面接触角的大小.随着表面粗糙度值的增大,接触角呈增大趋势.当表面粗糙度大于4μm时,接触角均大于150°,形成超疏水表面.     

纳米微结构涂层的制备及其超疏水性研究

通过简便的纳米粒子填充法制备超疏水表面,将SiO2纳米粒子与含氟丙烯酸酯聚合物按不同比例混溶制备出具有不同微结构的表面,并探讨了表面微结构对润湿性能的影响.接触角测试表明,随着SiO2纳米粒子含量的增加,涂层与水接触角逐渐增大,并且当SiO2与聚合物质量比＞1.2时发生突跃,显示出超疏水性质.采用X射线光电子能谱分析了涂层表面化学环境,通过扫描电子显微镜、原子力显微镜、孔结构分析等方法观察和分析了不同SiO2纳米粒子含量时涂层表面微结构.研究结果表明,涂层表面润湿特性的变化主要归因于其表面微结构的不同.并通过粗糙表面润湿理论的Wenzel模型和Cassie模型解释了表面微结构对润湿性的影响及接触角的突跃现象.     

从自然到仿生的超疏水表面的微观结构

利用体视显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、接触角测量仪对蝴蝶翅膀和蝉翼表面的微细结构及疏水性能进行研究发现:蝴蝶翅膀表面的微米级孔穴和蝉翼表面的纳米阶层柱状结构,是其表面具有超疏水特性的根本原因.受此启发,用激光直写法和软刻蚀法制备出微米级周期排列的方柱、方孔微结构,测量其表面静态接触角分别为151.4°和121.7°.实验结果表明,周期排列的方柱和方孔微结构增强了固体表面的疏水性,且微结构的形态对润湿性能有很大的影响.用经典润湿理论对实验结果进行理论分析发现,Cassie理论与Wenzel理论分别适用于不同程度润湿性能的疏水微结构表面,且微结构的参数影响其表面的润湿性能.     

微观结构对超疏水表面润湿性的影响

润湿性是衡量超疏水表面疏水强弱的最重要特征之一,而微观结构与超疏水表面的润湿性有着密切联系。本文讨论了导致超疏水现象的两种理论模型——Wenzel模型和Cassie模型,并运用模型分析了微观结构的几何参数对超疏水表面表观接触角的影响。分析表明,在制备超疏水表面过程中应使表面状态满足Cassie模型,并可以通过改变微观结构的几何参数来控制表面润湿性,获得具有较大表观接触角的超疏水表面。     

超疏水表面润湿理论研究进展

超疏水表面在表面自清洁、防雾防霜、防腐蚀、油水分离以及过程强化等方面具有巨大应用潜力。超疏水表面润湿理论由于涉及到表面结构的优化设计,有利于指导超疏水表面的制备,因此受到广泛关注。综述了超疏水表面润湿理论的理论基础及新进展,内容涉及到经典的Wenzel理论和Cassie理论、滚动角的计算、两种接触状态之间的转换以及微纳米分层结构的重要性等,并展望了超疏水表面润湿理论前景。     

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。     

复合SiO2粒子涂膜表面的超疏水性研究

采用溶胶-凝胶法制备不同粒径和形状的SiO2粒子,并利用氟硅氧烷的表面自组装功能制备了具有仿生类"荷叶效应"的超疏水涂膜.通过原子力显微镜、扫描电镜和水接触角的测试对膜结构及性能进行了表征,探讨了SiO2粒子的粒径和形状对材料微观结构,表面粗糙度和疏水性能的关系.结果表明,含单一粒径涂膜表面水接触角符合Wenzel模型;而复合粒子构成了符合Cassie模型的非均相界面,单纯的粗糙度因子不能反映水接触角的变化,复合粒子在膜表面的无规则排列赋予涂膜表面不同等级的粗糙度,使得水滴与涂膜表面接触时能够形成高的空气捕捉率和较小的粗糙度因子,这与在涂膜表面能形成自组装分子膜的氟硅氧烷共同作用赋予了涂膜超疏水性能.     

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。     

超疏水表面微纳结构设计与制备及润湿行为调控(Ⅰ)

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.     

铝合金基体超疏水表面的制备及防冰霜性能研究

用化学刻蚀法构建铝合金基体二元三维微纳米表面结构,再经棕榈酸修饰,制备了仿生超疏水表面。水滴与表面接触角达157°,滚动角3°。用扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)表征其形貌和表面元素;并测试其防粘附性能,防结冰和结霜性能。结果表明,其疏水机理与Cassie模型相符,超疏水性能和防粘附性能良好,且结冰时间长,结霜量少。     

超疏水镁合金表面的防黏附和耐腐蚀性能

通过盐酸刻蚀、氨水浸泡和疏水长链接枝,成功构建得到接触角达154°、滚动角为6°的超疏水镁合金表面。利用接触角测试、扫描电镜观察、红外光谱分析、防黏附和电化学实验等分别对超疏水镁合金表面的润湿性能、表面微结构与化学组成、防黏附行为以及耐腐蚀性能进行了考察。结果表明:盐酸刻蚀和氨水浸泡使得镁合金表面产生了微-纳复合结构,而硬脂酸修饰使疏水烃基长链通过化学键接枝到具有微-纳复合结构的镁合金表面。正是由于其特殊的表面微结构和化学组成,使得超疏水镁合金表现出良好的防黏附和耐腐蚀性能。     

超疏水仿生水泥混凝土路面防覆冰技术及效能评价

通过微纳米路表构建与超疏水材料涂覆技术相结合,制备了超疏水仿生水泥混凝土路面模型试件;开展超疏水材料涂覆技术研究,分析总结其制备工艺;采用自行设计的"冰-路"附着强度测试装置进行防覆冰性能测试,同时开展接触角测量试验、路面表面能计算及耐久性试验,综合评价超疏水仿生水泥混凝土路面的疏水、防冰效能。结果表明:超疏水水泥混凝土试件表面冰的残留率为29.9%,是普通试件的1/3左右,间接反映了超疏水路面具有较好的疏冰性能;与普通试件的接触角0°相比,超疏水水泥混凝土试件的接触角为153.5°,达到超疏水状态;表面能计算表明超疏水材料的作用降低了路面表面能,仅为普通水泥路面的3.4%,进一步验证了超疏水水泥混凝土路面可显著降低"冰-路"附着强度;通过模拟轮胎与路面的摩擦作用,接触角依然在90°以上,表明超疏水路面耐久性良好。     

非晶合金表面超疏水性研究进展

源于荷叶自清洁效应的超疏水表面已成为材料、仿生等领域的研究热点之一。相对有机高分子材料而言,金属材料超疏水性表面具有更高的耐久性。但晶态金属的"晶粒效应"制约了表面微/纳尺度几何结构的制备。非晶合金在过冷液相区优异的微/纳尺度成形能力,以及较晶态金属更低的表面自由能,使其成为制备超疏水性金属表面的理想材料之一。综述了不同体系非晶合金的表面能;非晶合金表面微/纳尺度几何结构的构造;表面几何结构对疏水性的影响规律及机理;并对非晶合金表面超疏水性进行了展望。     

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。     

超疏水表面结构对结露影响的研究

利用仿生技术制备超疏水表面可以防止或减少金属表面结露结霜,得到了广泛深入地研究。就是利用这一技术采用激光刻蚀和纳米溶液制备超疏水表面分别得到了具有超疏水性能的铝块、硅片。并将这些样品搁置在一定的环境条件下利用高速摄像机观察其表面的抗凝露效果,提出了采用液滴在表面脱落频率和脱落直径来衡量固体表面上的液滴更新频率的快慢,进而衡量固体表面的抗凝效果。通过观察普通铝块与超疏水铝块、不同结构的超疏水硅片之间的表面凝露情况,得出超疏水表面的凝结的水滴与样品的表面接触角大,接触面积较小,以Cassie-Baxter状态悬停在微纳米方柱上,在很小的外力作用下就能离开固体表面,从而达到抗凝露效果。     

仿生超疏水表面研究进展

对植物叶表面的研究结果表明:微米与纳米相结合的结构可以产生较大的接触角和较小的滚动角.表面化学组成与粗糙结构相结合成为仿生超疏水表面的重要特点.本文在总结近年来仿生超疏水表面的最新研究成果的基础上,着重分析和讨论了仿生超疏水表面的物理机制、制备方法、超亲水与超疏水的转换,并探讨了这一领域的发展方向.     

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.