表面分析仪器在超疏水表面研究中的应用

超疏水表面制备与研究是近年来材料科学的重要研究方向,超疏水表面的研究离不开表面分析测试仪器。本文简要介绍了超疏水材料的表面特性、理论模型及其制备方法,重点介绍了扫描电子显微镜、X射线光电子能谱、原子力显微镜和表面接触角测试等几种常用表面分析方法的基本原理及其在超疏水表面研究中的具体应用。     

超疏水表面减阻特性的研究进展

超疏水表面具有减阻效果,在提高管道传输效率、降低水下航行体和微流体器件中流动阻力等方面有着广阔的应用前景。介绍超疏水表面的制备、滑移理论以及减阻特性的研究,讨论微尺度下表面润湿性、表面微结构和流场流动状态对壁面减阻的影响,对超疏水壁面减阻的物理机制进行总结,并指出气体层不连续模型和气穴模型是分别适用于光滑疏水表面和带微结构超疏水表面的减阻模型。介绍超疏水表面减阻特性的一些应用,提出将超疏水表面应用到微流体系统中面临的问题,如微通道壁面疏水性的制备及其减阻效果的耐久性。     

超疏水表面加工技术及耐磨性能研究进展

当前制备的超疏水表面耐磨性能普遍较差,因而其在各领域的应用受到限制。研究表明微纳结构和低表面能是实现功能表面超疏水性能的关键因素,因此,首先基于超疏水表面作用机制,对超疏水表面织构进行了归纳,旨在通过优化表面织构来解决微纳结构易磨损难题;然后对超疏水表面加工技术进行了梳理总结,从成本和效率两个方面分析了降低表面能的措施,为拓展超疏水表面加工体系提供思路;进而详细总结了超疏水表面耐磨性的分析手段,并阐述了提高超疏水表面耐磨性的方法;最后,展望了耐磨性超疏水表面的未来发展前景,以期推动超疏水表面在工程中的大规模应用。     

超疏水表面制备技术的研究进展

具有非润湿和自清洁特性的超疏水表面由于其广阔的应用前景而引起人们的极大关注.介绍超疏水状态下Wenzel和Cassie-Baxter 2种接触模型及其相互关系,讨论2种模型下表面微细结构对接触角的影响.从构造表面微细结构和低表面能物质修饰2个方面总结近年来超疏水表面制备技术的研究进展,并对超疏水表面的研究进行展望.     

超疏水表面的减阻研究

为探索超疏水表面的减阻机制,利用位错刻蚀法在铝板上制备出接触角为156°、滚动角小于5°的超疏水表面,并分别以具有超疏水表面和亲水表面的铝板为基板,构建了两种流动状态可视化测试的微粒子图像测速(Particle Image Velocimetry ,PIV)微通道,通过PIV粒子图像测试技术对水在超疏水微通道和亲水微通道中的速度流动情况进行实验测定与对比,得出超疏水表面确实有减阻效果,最大减阻效果可达8.72%,并从多角度进行了解释分析.     

超疏水表面膜的制备

通过化学气相沉积的方法,在具有规则微形貌的硅片表面沉积硅的有机物制备出了超疏水表面,进而对表面的润湿性进行了对比。结果表明:不同的成膜时间和微形貌的结构尺寸直接影响着表面的润湿性;表面的接触角随着时间的增长而增大,但有一时间极限,此后接触角基本不受影响;当微形貌深度一定,随着形貌宽度的增加接触角无明显变化,但超过某一临界值时,接触角下降明显,不再形成超疏水表面。     

静电气喷磁响应复合微结构功能表面制备研究

提出一种静电气喷法制备磁响应超疏水复合微结构表面以实现微流控液滴传输与驱动应用。首先利用静电气喷法将微米级羰基铁粉和PDMS (Polydimethylsiloxane)混合喷涂到置于磁场中的基底以构建磁响应超疏水表面,热固化后再在表面喷涂纳米碳粉以形成磁响应超疏水复合微结构表面;通过扫描电镜和显微镜分析复合微结构表面形貌,通过接触角测量仪检测功能表面的湿润性,利用液滴与表面的接触和碰撞实验测试表面的黏附性能,以磁响应特性为基础的复合微结构功能表面进行液滴驱动和定向分配应用测试。磁响应超疏水表面和复合微结构表面表现出不同的形貌和性能,喷涂纳米碳粉可以获得微纳米复合结构从而显著提升表面的疏水性和降低表面的黏附性。利用静电气喷法简单有效地制备出的磁响应超疏水复合微结构表面具有优异的超疏水性能和极低的黏附性,从而能实现不同液滴操作,具有广泛的应用前景。     

基于电化学加工方法的铝基超疏水表面制备技术研究

鉴于金属铝表面存在微米级的晶界和纳米级的位错,在外加电场和电解液的作用下,晶界位错处因具有更高的位能会使得阳极优先溶解,进而形成微纳米结构相结合的粗糙表面,提出一种新的铝基超疏水表面的电化学制备方法,实验研究了其加工质量、加工效率和加工条件之间的关系,结果显示电化学加工方法能够在铝基底上制备出多阶层微/纳米结构,可用作超疏水表面基底。电化学加工比化学刻蚀法有更好的可控性,同时比光刻等方法更经济。所加工表面经过低表面能材料修饰后呈现超疏水的特性,与水滴的接触角达到167°,滚动角小于3°。     

超短脉冲激光加工超疏水功能性微结构表面

典型微结构的制备,尤其是具备特定功能性微结构表面的高效加工已成为加工制造业的研究热点。以超快皮秒脉冲激光为加工手段,实现超疏水功能性微结构表面的高效制备。试验结果显示,采用脉冲宽度为8.1ps、波长为532nm的超短皮秒脉冲激光可以一次构造出具有微纳双重结构的超疏水功能性微结构表面,其静态接触角可以高达158°,滚动角小于5°。该试验为此类功能性微结构表面的加工及应用开拓了全新的技术方法,应用前景广阔。     

碳钢超疏水表面制备及其耐腐蚀性研究

通过喷砂与电刷镀相结合的方法在碳钢表面制备出未经修饰的微纳双尺度复合结构的超疏水表面。利用扫描电子显微镜（SEM）、接触角测量仪、电化学工作站对表面形貌、动静态接触角以及耐腐蚀性进行观测。结果表明:采用该结合方法制备的疏水表面在晶粒簇直径为25～40μm,且分布均匀时,具有优异的超疏水性能;当制备电压在14V时,接触角达到152°,同时在自然时效状态下,试样能够长时间保持表面的疏水特性;结合方法制备的疏水表面与基底抛光表面相比,耐腐蚀性能提高。     

超疏水表面液滴的冷凝成长特性研究

利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基底采用光刻技术制备了微方柱状超疏水表面,分析了冷凝条件下超疏水表面液滴的冷凝生长特征,发现液滴的生长过程可分为微液滴成核冷凝独立生长、冷凝微液滴合并生长以及大液滴生长3个阶段。超疏水表面初始合并的液滴呈Wenzel-Cassie状态和Wenzel状态,随着冷凝液滴的成长,液滴的液-固接触面积与粗糙结构表面的表观面积之比f随着冷凝液滴尺寸的增大而增大,Wenzel-Cassie状态向完全Wenzel状态转变。最后分析了超疏水性破坏的原因。     

基于状态转换的超疏水表面滑移特性研究方法

根据流体在大剪切速率下在超疏水表面上产生状态转换的现象,提出了通过转换后得到的参数来刻画转化前滑移特性的方法,这种方法能够去除大接触角对滑移特性测量值的影响。为验证方法的可行性,进行了水在光栅结构超疏水表面上、甘油水溶液在碳纳米管(CNTs)结构表面上以及甘油水溶液在ZnO纳米结构表面上的流变实验。结果表明:所研究的超疏水表面在大的剪切速率下产生了状态转化,而通过这种转化正好可以刻画表面的滑移特性。这种方法适合于衡量液体在超疏水表面的接触状态容易发生转换的情况。     

疏水表面的摩擦阻力特性研究

考虑到单纯的形貌和低表面能涂层减小摩擦阻力的效果有限,利用铝基底、聚四氟乙烯涂层制备了几种表面形貌和低表面涂层相结合的疏水表面,并应用到水下航行体的减阻实验中。结果表明:具有聚四氟乙烯涂层的微形貌结构的表面接触角可超过120°,形成疏水状态;部分疏水表面在减阻实验中具有较好的效果,比只有微形貌的表面的周期性减阻有了更好的稳定性;不是所有的疏水表面都具有减小摩擦力的作用,偏角的方向、进刀量的大小、形貌的周期等许多因素都直接影响着阻力的大小。     

采用移动式阴极制备大尺寸超亲水/超疏水铝板

基于电化学加工方法和氟化处理技术,采用移动式阴极制备了大尺寸超亲水/超疏水铝板,用扫描电子显微镜和能谱仪分别对该铝板表面的形貌和成分进行了分析,并采用接触角测量仪测量了所得表面的接触角和滚动角。结果表明:采用移动式阴极加工大面积超亲水/超疏水铝板是可行的;电化学加工后的超亲水铝板表面存在二元微纳米粗糙结构,对水的接触角约为0°;该超亲水表面经氟化处理后可转变为超疏水表面,对水的接触角为167°,滚动角小于3°。     

液滴撞击疏水/超疏水表面运动特性的数值模拟

采用计算流体动力学对液滴撞击疏水/超疏水表面的过程进行数值模拟,分析液滴滴落高度、表面润湿性和表面倾斜角度3个因素对液滴运动的影响。结果表明,随着液滴滴落高度的增大,液滴铺展系数增大,回弹系数减小,滴落高度对液滴铺展系数和回弹系数的影响随表面静态接触角的增大而增大;表面疏水性增强,液滴铺展系数减小,回弹系数增大,滴落高度的增大会减弱表面润湿性对液滴铺展系数和回弹系数的影响;表面倾斜角度增大,液滴铺展系数和回弹系数减小,液滴内部最大速度增大。     

超疏水微结构表面的制备工艺研究

针对装备表面大面积采用超疏水结构以实现减阻、防污的需求,考虑加工低成本、可重复及高效的目标,采用PDMS模塑工艺来实现超疏水微结构的制备,基于高速微小孔钻削工艺在铝合金表面加工阵列微孔结构作为PDMS浇铸的模具,成功在PDMS膜表面复印出阵列微柱结构,对制备的超疏水微结构PDMS膜进行了加工误差分析,误差为6%。     

锡青铜超疏水表面纳秒激光制备及润湿性转变机理研究

以锡青铜为基底,研究采用纳秒紫外激光代替飞秒激光制备金属超疏水表面的方法。通过改变激光加工参数制备了不同表面微观结构,并采用扫描电子显微镜和接触角测量仪对所制备的微观结构和润湿性进行了表征,通过X射线光电子能谱(XPS)分析了所制备的样片表面化学元素含量及其随时间的演变,对润湿性转变的机理进行了解释。研究结果表明,采用纳秒紫外激光可以在锡青铜基底制备类似飞秒激光加工得到的金属超疏水表面;激光加工后的样片润湿性随时间变化,转变机理是激光加工过程中生成的CuO在磷元素的催化脱氧作用下生成了本征疏水的Cu2O;在紫外激光能量密度为5.61 J/cm2下,激光扫描速度100 mm/s时,所制备的表面具有微纳复合结构的表面接触角超过150°,滚动角小于10°。     

电刷镀法制备钢基体超疏水表面的实验研究

采用复合电刷镀技术,在Q235钢表面制备了具有超疏水性能的n-SiO2/Ni纳米复合镀层,在优选的工艺参数下,获得了接触角为1698°、滚动角为23°的超疏水表面。研究了刷镀电压和刷镀时间对镀层表面结构和疏水性的影响规律;分析了复合镀层表面和截面的结构形貌特点;研究了电刷移动速度对复合镀层中n-SiO2含量的影响规律。对镀层的接触角、表面粗糙度和显微硬度进行了表征。结果表明：刷镀电压和刷镀时间是影响复合镀层表面微观结构特征的重要因素;复合镀层表面的微纳米双重结构对表面的超疏水性起到了关键的作用。     

铜表面超疏水和超亲油银膜的制备和性能

将铜片置于硝酸银溶液中,通过电交换反应制备了银膜,然后用12-羟基硬脂酸(HSA)进行修饰,在铜表面成功制备了HSA修饰的银膜,并对其形貌、亲水性、亲油性及水接触角的稳定性进行了研究。结果表明:制备的银膜具有微纳米二元结构的树枝晶;经HSA修饰后的银膜具备超疏水性和超亲油性,在水、无水乙醇、丙酮和正己烷中具有良好的稳定性,在空气中放置较长时间后接触角基本保持不变。     

盐酸-激光复合刻蚀+SA修饰制备镁合金表面超疏水结构的耐腐蚀性能

采用盐酸-激光复合刻蚀+十八烷酸(SA)修饰工艺,在抛光态AZ91镁合金表面制备超疏水结构,研究了其表面形貌、润湿性能和耐腐蚀性能。结果表明:复合刻蚀后,镁合金表面形成了一种以微米尺度的点状凹坑以及紧密且有序排列的凸起结构为主的粗糙结构,再经SA修饰后,形成了微纳米级复合粗糙结构;复合刻蚀+SA修饰后的表面呈现超疏水性,且表现出良好的抗水滴黏附性能;与抛光态镁合金相比,复合刻蚀+SA修饰所得超疏水镁合金的自腐蚀电位提高,自腐蚀电流密度下降,显示出良好的耐腐蚀性能;在3.5%(质量分数)NaCl溶液中浸泡24h后,该超疏水表面未发现明显的腐蚀迹象。