[發明專利]一種三維三級微納結構的穩定超疏水金屬表面及制備方法

有效

• 申請號: 201910338618.1
• 申請日: 2019-04-25
• 公開（公告）號: CN109881193B
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發明（設計）人: 鐘敏霖;張紅軍;潘瑞
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C23C22/63
• 分類號: C23C22/63;C23C22/78;C23C22/83;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

一種三維三級微納結構的穩定超疏水金屬表面及制備方法，屬于結構化功能表面技術領域。該金屬表面含有三級微納結構，該結構以分布在金屬基材表面的三維微米錐結構為基礎，在微米錐表面分布有呈輻射狀密集生長的一維納米棒、納米管或二維納米片，且在微米錐表面以及在微米錐與微米錐之間彌散分布有微米球或微米花。其制備方法采用超快激光燒蝕與化學氧化法相結合的復合方法制備，再經由低自由能表面化學修飾，從而實現高穩定超疏水自清潔功能，可承受高達1400Pa的拉普拉斯壓力仍保持大于150°的接觸角。本方法具有高效、可控及適合大面積制備等優勢，可廣泛應用于超疏水自清潔、抗結冰、抗腐蝕、抗污、抗菌、集水、減阻、油水分離等應用領域。

技術領域

本發明涉及一種三維三級微納結構高穩定超疏水金屬表面及其制備方法，具體涉及一種具有三級微納結構復雜性、架構可控性和高Cassie狀態穩定性的超疏水金屬表面結構及其超快激光燒蝕結合化學氧化的復合制備方法，屬于功能材料及其制備技術領域。

背景技術

神奇的大自然在長期的生物進化中形成了很多奇特的現象，其中之一便是超疏水現象，常見的天然超疏水表面包括荷葉、蚊子復眼、蝴蝶翅膀等。水滴在這些超疏水表面呈現Cassie狀態，即表現出大于150°的接觸角以及小于10°的滾動角，且能夠以球狀在超疏水表面自由滾動，從而帶走表面的灰塵，實現所謂的自清潔功能，Cassie狀態也即自清潔狀態。超疏水表面的獨特性能使其在國防、科研、工業生產和日常生活中的多個領域具有廣泛的應用前景，包括抗結冰、抗腐蝕、抗污、抗菌、集水、減阻、油水分離等。

荷葉表面或者人工超疏水表面自清潔的基本機理一般由Cassie方程來解釋，在文獻“Wenzel R N.Resistance of solid surfaces to wetting by water.IndEngChemRes,1936,28:988-994”和“Cassie A B D,Baxter S.Wettability of poroussurfaces.Trans Faraday Soc,1944,40:546-551”中，Wenzel和Cassie改進了楊氏方程，分別提出了Wenzel狀態方程cosθ＝rcosθ₀(其中，r是固體表面的粗糙度；θ₀是固體表面的本征接觸角；θ是固體表面的表觀接觸角)和Cassie狀態方程cosθ＝f₁cosθ₀+f₁-1(其中，f₁是固-液接觸面積分數)，用于解釋粗糙表面上的各種潤濕現象。Wenzel狀態是指液體填滿了固體表面粗糙結構的所有間隙，對液滴呈現較大的粘附力，呈現出玫瑰花瓣典型的粘水特性，不具備自清潔功能；而Cassie狀態是指液相與粗糙表面不完全接觸，在粗糙結構的間隙中存在著滯留的空氣，從而顯著減小了固/液接觸面積和表面對液滴的粘附力，使液滴可在表面上自由滾動，這便是超疏水表面“自清潔效應”的體現。顯然，在超疏水表面的應用中，通常需要穩定的Cassie狀態。然而，熱力學研究表明，Cassie狀態是一種系統自由能處于局部極小值的亞穩定狀態，Wenzel狀態為全局能量最小的穩定態，在外部刺激(雨滴沖擊、溫度變化以及振動等)或者自發條件下，超疏水表面的潤濕狀態可能發生從Cassie狀態到Wenzel狀態的轉變，從而使超疏水表面的粘附力變大，失去自清潔特性，嚴重影響其防結冰、抗腐蝕以及水下減阻等方面的性能。可見，如何制備出具有高Cassie狀態穩定性(即具有穩定自清潔功能)的超疏水表面，是實現超疏水表面成功應用的關鍵，也是該領域亟待解決的難題。

目前超疏水表面在實際應用過程中面臨一個重要的難題，即Cassie狀態的穩定性問題，即指水滴在超疏水表面上保持Cassie狀態的難易程度。由于Cassie狀態的亞穩態特性，一般制備的超疏水表面的Cassie狀態穩定性較差，在外界條件如壓力、溫度等刺激下很容易由Cassie狀態轉變為Wenzel狀態，喪失了自清潔功能以及由此帶來的一系列特性。