分級(jí)結(jié)構(gòu)表面浸潤(rùn)性研究.pdf

1、浸潤(rùn)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(rùn)性控制/調(diào)節(jié)無論是對(duì)固體表面結(jié)構(gòu)及其行為研究，還是對(duì)實(shí)際應(yīng)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(yīng)用前景。譬如具有低滾動(dòng)角的超疏水表面因其具有自清潔功能(又稱“荷葉效應(yīng)”)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(fēng)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(yīng)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(shí)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(jī)械驅(qū)動(dòng)力而成為研究熱點(diǎn)。此外，浸潤(rùn)性動(dòng)態(tài)可控(智能)表面在芯片實(shí)驗(yàn)室、顯示技術(shù)及微/納米機(jī)電系統(tǒng)等方面存在廣闊應(yīng)用前景。研究表明，除光、電、磁、熱等外力的影響之外，浸潤(rùn)性主要取決于固體表面化學(xué)成分及其微結(jié)構(gòu)；尤其是表面納米結(jié)構(gòu)是導(dǎo)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(fù)眼等卻無一例外的采取了微米與納米結(jié)構(gòu)

3、相結(jié)合的分級(jí)結(jié)構(gòu)。這一發(fā)現(xiàn)引起了人們對(duì)分級(jí)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、特別是分級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)超疏水性的影響機(jī)理還尚未明確。 研究表明，具有凸突形狀的分級(jí)結(jié)構(gòu)不僅可以增強(qiáng)疏水性，還能釘扎三相接觸線，從而進(jìn)一步使超疏水性具有穩(wěn)定性。特別是最近報(bào)道由六角形緊密排列的微米半球結(jié)構(gòu)及其上六角形非緊密排列的納米結(jié)構(gòu)所組成的分級(jí)結(jié)構(gòu)，甚至使得蚊子復(fù)眼對(duì)冷凝水滴仍保持“荷葉效應(yīng)”。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)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(dǎo)意義。通常，超疏水性還與液滴的形成方式有關(guān)。當(dāng)液滴以冷凝的方式形成時(shí)，大部分已報(bào)道的超疏水表面(包括荷葉)就會(huì)失去超疏水性，從而不再保持“荷葉效應(yīng)”。究竟是什么使得蚊子復(fù)眼具有穩(wěn)定的“荷葉效應(yīng)”?本論文以經(jīng)典Young氏方程、Cassie及Wenzel方程為理論基礎(chǔ)，從能量最低原理出發(fā)，系統(tǒng)地分析了蚊子復(fù)眼(分級(jí)結(jié)構(gòu)表面)為什么具有穩(wěn)定“荷葉效應(yīng)”。在分析過程中，以半球結(jié)構(gòu)模擬蚊子復(fù)眼第一級(jí)微米結(jié)構(gòu)，分別

5、用半球及圓柱結(jié)構(gòu)模擬第二級(jí)納米結(jié)構(gòu)；假設(shè)液體于蚊子復(fù)眼第二級(jí)結(jié)構(gòu)的接觸滿足Young氏關(guān)系；并假設(shè)要使“荷葉效應(yīng)”具有穩(wěn)定性，必須使其Cassie接觸處于能量最低狀態(tài)。結(jié)果表明，蚊子復(fù)眼的穩(wěn)定“荷葉效應(yīng)”，與其分級(jí)結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)及其材料的疏水性有關(guān)。大自然正是通過對(duì)表面分級(jí)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及材料的優(yōu)化選擇來實(shí)現(xiàn)蚊子復(fù)眼的特殊功能。 Herminghaus指出，適當(dāng)?shù)谋砻娣旨?jí)結(jié)構(gòu)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(jí)結(jié)

6、構(gòu)上產(chǎn)生懸掛。這一論點(diǎn)目前已經(jīng)得到許多實(shí)驗(yàn)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(duì)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(jí)結(jié)構(gòu)超疏水表面)，當(dāng)液滴以蒸汽冷凝的方式形成于上時(shí)，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(yīng)”。本論文在蚊子復(fù)眼分級(jí)結(jié)構(gòu)表面基礎(chǔ)上，衍生了一種理想分級(jí)結(jié)構(gòu)表面，并從理論上對(duì)其“荷葉效應(yīng)”產(chǎn)

7、生條件及其穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)分析。其結(jié)果表明，盡管正如Herminghaus所指出，適當(dāng)?shù)谋砻娣旨?jí)結(jié)構(gòu)能使親水材料變得疏水甚至超疏水，從而具有“荷葉效應(yīng)”，但由本征親水材料制備得到的超疏水表面的“荷葉效應(yīng)|”并不具有穩(wěn)定性。只有假設(shè)本征接觸角大于90°的情況下，才能獲得穩(wěn)定的“荷葉效應(yīng)”。也就是說要獲得穩(wěn)定的“荷葉效應(yīng)”，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(duì)蚊子復(fù)眼及理想分級(jí)結(jié)構(gòu)表面分析的基礎(chǔ)上，本論文還提出了人工設(shè)計(jì)具有穩(wěn)定“荷葉效應(yīng)”的分級(jí)結(jié)構(gòu)表面所要遵循的準(zhǔn)則。 本論文還研究了表面微結(jié)構(gòu)及粗糙度對(duì)本征親水La1-xSrxMnO3表面浸潤(rùn)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(jié)構(gòu)及粗糙度隨熱處理溫度變化而變化。在適當(dāng)?shù)臏囟认聼崽幚恚色@得微米-納米分級(jí)結(jié)構(gòu)的La1-xSrxMnO3表面。通過對(duì)La1-xSrxMnO