[發(fā)明專利]一種光柵結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定超疏水表面設計方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010132398.6
• 申請日: 2010-03-24
• 公開（公告）號: CN101819125A
• 公開（公告）日: 2010-09-01
• 發(fā)明（設計）人: 周明;李健;李保家;蔡蘭
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇大學
• 主分類號: G01N13/00
• 分類號: G01N13/00;G06F17/50
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 汪旭東

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及超疏水表面設計研究領(lǐng)域，特指一種通過對光柵微結(jié)構(gòu)表面進行接觸狀態(tài)轉(zhuǎn)換的幾 何分析實現(xiàn)穩(wěn)定超疏水表面的設計方法，其適用于光柵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定超疏水表面的可控設計。

背景技術(shù)

超疏水現(xiàn)象是水滴在表面表現(xiàn)出大接觸角(接觸角CA＞150°)的現(xiàn)象，而能夠產(chǎn)生超疏水現(xiàn)象 的表面稱為超疏水表面。超疏水表面由于其特有的超疏效應，在表面自潔、表面減阻方面具有巨大 的應用前景，目前已受到廣泛的關(guān)注。

超疏水表面實際上是表面進行結(jié)構(gòu)和性質(zhì)改性處理得到的。液體在超疏水表面上具有兩種接觸 模式：Wenzel接觸模式和Cassie接觸模式。1936年，Wenzel提出了Wenzel接觸模式，認為液體 與微結(jié)構(gòu)表面接觸時，與微結(jié)構(gòu)的凹槽形成密切接觸，從而分析出Wenzel接觸角公式：

cosθ^W＝rcosθ????????????????(1)

其中θ^W為液滴在微結(jié)構(gòu)表面上處于Wenzel模式的表觀接觸角，r為微結(jié)構(gòu)表面的粗糙度因子，是 表面的真實面積與其在水平投影面積之比，θ為液滴在同種材料的光滑表面上的本征接觸角。Wenzel 的理論在解釋粗糙表面上的較大接觸角現(xiàn)象取得了一定的成功，但它無法解釋自然界存在的更大接 觸角。在這個背景下，Cassie和Baxter在1944年提出了Cassie接觸模式，認為液體在表面上與凹 槽內(nèi)部不發(fā)生接觸，即超疏水表面與液體的接觸界面是由液固接觸和液氣接觸共同構(gòu)成的復合接觸 界面，根據(jù)該復合接觸界面的特征，得到Cassie接觸角公式：

cosθ^C＝fcosθ+f-1????????????(2)

其中θ^C為液滴在微結(jié)構(gòu)表面上處于Cassie模式的表觀接觸角，f為表面上突起部分所占表面在水平 投影面積之比。以上兩式奠定了超疏水現(xiàn)象的理論基礎，但它們并沒有回答如何實現(xiàn)超疏水現(xiàn)象以 及如何穩(wěn)定超疏水現(xiàn)象的問題，而這些問題對超疏水表面的工程應用具有重要意義。

在分析超疏水穩(wěn)定性方面，美國西北大學的Patankar采用能量法對超疏水穩(wěn)定性進行了分析， 認為超疏水表面上液滴受到自身重力和外界干擾時，容易發(fā)生從Wenzel接觸到Cassie接觸的不可 逆狀態(tài)轉(zhuǎn)換。可見，在制備超疏水表面時，需要考慮到表面的超疏水穩(wěn)定性，使液體在表面上穩(wěn)定 地存在于Cassie接觸模式下。LiW等在2007年通過幾何分析方法分析了表面的超疏水現(xiàn)象穩(wěn)定性， 他們提出了臨界深度的概念以解釋深度對狀態(tài)轉(zhuǎn)換的影響，但他們沒有深入研究臨界深度的計算方 法以及其他因素引起的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，因此他們的研究結(jié)果存在一定的局限性。周明等的專利(申請?zhí)枺? 200810019240.1)提出一種通過判斷臨界深度與結(jié)構(gòu)深度之間的關(guān)系來確定微結(jié)構(gòu)上的液體的超疏 水狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，但他們并沒有從液體與微結(jié)構(gòu)壁面之間的幾何位置關(guān)系角度進行討論。

光柵結(jié)構(gòu)超疏水表面是一種典型的超疏水表面，在超疏水研究領(lǐng)域得到廣泛應用，本專利采用 幾何分析方法對光柵結(jié)構(gòu)表面的超疏水狀態(tài)轉(zhuǎn)換進行分析，從臨界深度的角度上修正了周明的方 法，并從液體與微結(jié)構(gòu)壁面之間的位置關(guān)系的角度給出超疏水狀態(tài)轉(zhuǎn)換理論判據(jù)，用以設計穩(wěn)定光 柵結(jié)構(gòu)超疏水表面。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是采用幾何分析方法得出光柵結(jié)構(gòu)表面的超疏水狀態(tài)轉(zhuǎn)換的理論判據(jù)，實現(xiàn)光柵 結(jié)構(gòu)超疏水表面的穩(wěn)定設計。

發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種光柵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定超疏水表面設計方法，其特征在于：首先推導出光柵結(jié)構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)與 表面的超疏水性能要求之間的關(guān)系，根據(jù)該關(guān)系確定表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)；再通過液體的工作條件計算 出表面凹槽內(nèi)部的液面與凹槽壁形成的接觸角，同時計算液面最低點到突起頂端的距離；通過計算 的接觸角和距離判斷液體在表面上所處的狀態(tài)，若處于Wenzel狀態(tài)則調(diào)整參數(shù)，以實現(xiàn)穩(wěn)定超疏 水性能。

技術(shù)方案中，表面的超疏水性能通過接觸角予以表征，采用的是Cassie接觸狀態(tài)的接觸角，即 通過公式(2)進行計算，其中的f計算公式為：