分級結構表面浸潤性研究.pdf

1、浸潤性是固體表面重要特性之一，無論在是自然界還是在人類生活中都發(fā)揮著重要作用。浸潤性控制/調節(jié)無論是對固體表面結構及其行為研究，還是對實際應用都非常重要，尤其是超疏水表面和超親水表面存在廣闊的應用前景。譬如具有低滾動角的超疏水表面因其具有自清潔功能(又稱“荷葉效應”)可用于建筑外墻、汽車涂層及低摩擦力表面等；超親水表面則可用于汽車擋風玻璃、浴室鏡面、礦石浮選以及生物相容材料如人造器官或骨骼等；親/疏水涂層應用于熱交換器還可有效提高熱交換

2、效率，起到節(jié)能作用，同時解決“水橋”問題。另一方面，梯度張力表面也因其可為微液滴提供非機械驅動力而成為研究熱點。此外，浸潤性動態(tài)可控(智能)表面在芯片實驗室、顯示技術及微/納米機電系統(tǒng)等方面存在廣闊應用前景。研究表明，除光、電、磁、熱等外力的影響之外，浸潤性主要取決于固體表面化學成分及其微結構；尤其是表面納米結構是導致超疏水性的重要因素。然而，天然超疏水表面如荷葉、水昆蟲翅膀、水黽腿、鳥類羽毛、蚊子復眼等卻無一例外的采取了微米與納米結構

3、相結合的分級結構。這一發(fā)現(xiàn)引起了人們對分級結構表面超疏水性的極大興趣并得到大量研究。但目前為止，表面微結構、特別是分級結構對超疏水性的影響機理還尚未明確。 研究表明，具有凸突形狀的分級結構不僅可以增強疏水性，還能釘扎三相接觸線，從而進一步使超疏水性具有穩(wěn)定性。特別是最近報道由六角形緊密排列的微米半球結構及其上六角形非緊密排列的納米結構所組成的分級結構，甚至使得蚊子復眼對冷凝水滴仍保持“荷葉效應”。這一發(fā)現(xiàn)對人工制造具有“防霧功能

4、”的超疏水表面具有十分重要的指導意義。通常，超疏水性還與液滴的形成方式有關。當液滴以冷凝的方式形成時，大部分已報道的超疏水表面(包括荷葉)就會失去超疏水性，從而不再保持“荷葉效應”。究竟是什么使得蚊子復眼具有穩(wěn)定的“荷葉效應”?本論文以經(jīng)典Young氏方程、Cassie及Wenzel方程為理論基礎，從能量最低原理出發(fā)，系統(tǒng)地分析了蚊子復眼(分級結構表面)為什么具有穩(wěn)定“荷葉效應”。在分析過程中，以半球結構模擬蚊子復眼第一級微米結構，分別

5、用半球及圓柱結構模擬第二級納米結構；假設液體于蚊子復眼第二級結構的接觸滿足Young氏關系；并假設要使“荷葉效應”具有穩(wěn)定性，必須使其Cassie接觸處于能量最低狀態(tài)。結果表明，蚊子復眼的穩(wěn)定“荷葉效應”，與其分級結構幾何參數(shù)及其材料的疏水性有關。大自然正是通過對表面分級結構的優(yōu)化及材料的優(yōu)化選擇來實現(xiàn)蚊子復眼的特殊功能。 Herminghaus指出，適當?shù)谋砻娣旨壗Y構甚至能夠使任何本征親水材料變得疏水，前提是液體能在最小一級結

6、構上產(chǎn)生懸掛。這一論點目前已經(jīng)得到許多實驗證明：親水材料不僅可用于制備疏水表面，還可用于制備超疏水表面。然而對于大部分本征親水超疏水表面(包括本小組制備的本征親水La1-xSrxMnO3、LaMnO3、CaBi4Ti4O15等分級結構超疏水表面)，當液滴以蒸汽冷凝的方式形成于上時，其疏水性消失。這似乎表明，親水材料并不適于制備穩(wěn)定的“荷葉效應”。本論文在蚊子復眼分級結構表面基礎上，衍生了一種理想分級結構表面，并從理論上對其“荷葉效應”產(chǎn)

7、生條件及其穩(wěn)定性進行了系統(tǒng)分析。其結果表明，盡管正如Herminghaus所指出，適當?shù)谋砻娣旨壗Y構能使親水材料變得疏水甚至超疏水，從而具有“荷葉效應”，但由本征親水材料制備得到的超疏水表面的“荷葉效應|”并不具有穩(wěn)定性。只有假設本征接觸角大于90°的情況下，才能獲得穩(wěn)定的“荷葉效應”。也就是說要獲得穩(wěn)定的“荷葉效應”，只能采用本征疏水材料。這從理論上指出了本征親水材料在制備超疏水表面上的局限性，也解釋了為什么天然超疏水表面普遍采取本征

8、疏水材料。在對蚊子復眼及理想分級結構表面分析的基礎上，本論文還提出了人工設計具有穩(wěn)定“荷葉效應”的分級結構表面所要遵循的準則。 本論文還研究了表面微結構及粗糙度對本征親水La1-xSrxMnO3表面浸潤性的影響。通過不同溫度熱處理本征親水La1-xSrxMnO3納米顆粒涂層，可使涂層表面微結構及粗糙度隨熱處理溫度變化而變化。在適當?shù)臏囟认聼崽幚?，可獲得微米-納米分級結構的La1-xSrxMnO3表面。通過對La1-xSrxMnO