1基于“荷叶效应”的超疏水表面的几何设计

1基于“荷叶效应”的超疏水表面的几何设计湘潭大学材料与光电物理学院李文2自然界中荷叶出淤泥中而展现出具有不受污染，当水珠滴到荷叶表面不会摊平而是呈现球形珠狀且极易在叶面滚动，人们通常把它叫做“荷叶效应”（Lotuseffect）。？？？31999年，Barthlott和Neihuis认为：自清洁的特征是由于粗糙表面上的微米结构的乳突以及表面蜡状物的存在共同引起的。乳突的平均直径为5~9um。荷叶表面出淤泥而不染的机理42002年，江雷等提出微米结构下面还存在纳米结构，二者相结合的阶层结构才是引起表面自清洁的根本原因。单个乳突由平均直径为120nm结构分支组成。荷叶表面的微/纳米复合结构5荷叶自清洁的特征表明荷叶这种结构具有很强的超疏水性(Superhydrophobic)WithoutSelf-cleaningWithSelf-cleaning6超疏水性的表征量：静态接触角和滚动角滚动角：越小越好10o静态接触角：越大越好150o154.5°7获得超疏水表面的途径固体表面的润湿性能由固体表面的化学组成和微观结构共同决定：表面化学组成低表面自由能物质如含硅、含氟可以得到疏水的效果。现代研究表明，光滑固体表面接触角最大为120o左右。表面几何结构具有微细粗糙结构的表面可以有效的提高疏（亲）水表面的疏（亲）水性能。8微细结构表面的接触角理论Wenzel’sTheory(1936年）：coscosSVSLWLVrrCassic’sTheory（1944年）：coscos1Cssffr为实际面积/投影面积粗糙模型气垫模型Wenzel模型Cassie模型fs为为与液体接触的固体百分比9微细结构超疏水热力学理论模型的建立与分析三维柱状结构示意图，其中a、b、h的单位为微米级x-z平面的微结构表面截图假设液滴的体积不变Wenael’sstate,i.e.,noncompositestateCassie’sstate,i.e.,compositestate10自由能随接触角的变化存在稳定态即能量最小点局部能量最小A(不稳态)和最大BorC(亚稳态)前进和后退自由能垒180o具有相同的能量态自由能垒随接触角滞后的变化前进角后退角接触角滞后ABAC18012060ar180a120a11（1）必须有较大的粗糙度与本征接触角，保证液滴能处于稳定的复合润湿状态。（2）要有较小的固体表面百分比，即较细的粗糙结构，才能达到较大的平衡接触角。（3）首先要有较大的本征接触角，保证复合润湿态，然后应有较小的固液比，得到较小的接触角滞后。（4）较小的柱间距能保证液滴的复合态接触，但是较大的柱间距可导致较大的平衡接触角。所以需要综合考虑柱间距与其它微结构参数如柱高、柱宽的匹配，从而得到同时具备大接触角与小接触角滞后的超疏水表面。通过对表面几何参数、粗糙因子、固体百分数、本征接触角的讨论提出了微细结构表面几何设计的几条准则12满足微细结构表面几何设计的条件（1）为形成热力学稳定的复合接触态，需要较大的相对柱高hr（=h/b）。（2）要得到较大的平衡接触角，应该设计较小的相对柱宽ar（=a/b）或液固接触面比例（fs=a/(a+b)）。（3）要达到较小的接触角滞后或滚动角，需要较大的本征接触角及较小的相对柱宽ar。（4）上述三个条件可保证良好的超疏水效果，但要保证表面微结构的耐久性，也就是较好的机械性能，还需要较大的材料粗糙比mr（a/h）。13根据微细结构表面几何设计条件对不同微细具体结构表面的分析FIG.1FIG.1具有较大的相对柱高（hr=h1/b1=1）；提供复合态较大的材料粗糙比（mr=a1/h1=1）；好的机械耐久性而有较大的相对柱宽（ar=a1/b1=1）；不能提供较大的平衡接触角a1=b1=h1=1m14FIG.2FIG.2较大的相对柱高（对于大的柱间距，hr=h1/b1=1；对于小的柱间距，hr=h1/b2=1000）；保证复合润湿态较小的相对柱宽（ar=500a2/(500b2+b1)=0.33）；较大平衡接触角较小的材料粗糙比（mr=a2/h1=0.001）；不能提供好的机械耐久性a1=b1=h1=1ma2=b2=h2=1nm15FIG.3较大的相对柱高（hr=h1/b2=1000）；保证复合润湿态较大的相对柱宽（ar=a2/b2=1）；不能提供较大的平衡接触角较小的材料粗糙比（mr=a2/h1=0.001）；好的机械耐久性FIG.3FIG.4FIG.4较大的相对柱高（hr=h1/b1=1）；保证复合润湿态较小的相对柱宽（ar=a2/b1=0.001）；较大的平衡接触角较小的材料粗糙比（mr=a2/h1=0.001）；但不能提供好的机械耐久性。16FIG.5FIG.6FIG.7FIG.5能提供较大的平衡接触角和好的机械耐久性，但不能提供复合润湿态。FIG.6能够提供稳定的复合态和好的机械耐久性，但不能提供较大的平衡接触角。FIG.7能提供较大的平衡接触角和好的机械耐久性，但不能提供复合润湿态17FIG.8微纳分形结构FIG.8有较小的相对柱宽ar（500a2/（500b2+b1）=0.33）；较大的相对柱高hr（h1/b1=1和h2/b2=1分别对应于微、纳结构表面），意味着能保证稳定的复合润湿态和大的平衡接触角；较大的材料粗糙比mr（a1/h1=1和a2/h2=1分别对应于微、纳结构表面）；因而这种结构不但可以保证较好的复合润湿态、大的接触角和小的接触角滞后，而且还有很好的机械持久性能。18总结具有微纳米结构的分形结构具有很好的超疏水性能和较好的机械持久性；值得注意的是对于足够小的液滴当然液滴的尺寸远远大于粗糙尺寸，如果不考虑FIG5的机械持久性，FIG5和FIG8二种结构将具有相同的超疏水性能。19谢谢