[發明專利]基于馬蘭戈尼效應的仿生梯度超疏水結構設計方法

有效

• 申請號: 202011352578.5
• 申請日: 2020-11-26
• 公開（公告）號: CN112487635B
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發明（設計）人: 馬志超;杜海瑞;趙晟騰;江月;柳克祥;樸虎林;李偉智;佟帥;趙宏偉;任露泉
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;B82Y30/00;G06F119/14
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 王怡敏

1.一種基于馬蘭戈尼效應的仿生梯度超疏水結構設計方法，其特征在于：該方法適用于仿生梯度超疏水結構的設計，包括如下步驟：

步驟一、借助超景深三維成像系統和掃描電子顯微鏡SEM對典型的生物表面疏水結構形貌進行表征，統計歸納疏水結構及其特征尺寸參數，建立疏水結構的數學模型；

步驟二、基于典型的生物表面疏水結構，建立不同單一陣列結構模型，其直徑或者邊長均為D，陣列結構的間距均為W，陣列結構的高度均為H，分別計算各種單一陣列結構的粗糙度因子r和復合接觸面中固體的面積分數f；將粗糙度因子和復合接觸面中的固體面積分數代入Wenzel和Cassie模型，分別計算各種單一陣列結構在Wenzel狀態下的表觀接觸角θ_w的余弦值cosθ_w和在Cassie狀態下的表觀接觸角θ_c的余弦值cosθ_c；

步驟三、構建復合陣列結構模型，按接觸角大小將各單一結構以同樣的參數值依次排列得到結構序列，微調高度參數H或直徑參數D或結構的間距參數W的值再構建結構序列，形成連續的復合陣列結構，在固體表面形成結構性梯度；

步驟四、在每個單一結構上安裝納米加熱片，并將納米加熱片按照結構序列排布的方向設定為單調遞減的溫度，在復合陣列結構上形成溫度梯度；

不同的結構和溫度下固液界面的表面張力發生變化，接觸角越大的結構固液界面表面張力越小，由于表面張力的變化液滴從接觸角大的表面自發的向接觸角小的表面移動。

2.根據權利要求1所述的基于馬蘭戈尼效應的仿生梯度超疏水結構設計方法，其特征在于：步驟一所述的典型的生物表面疏水結構為荷葉表面結構、玫瑰花表面結構、水黽腿表面結構和動物心臟瓣膜表面結構。

3.根據權利要求1所述的基于馬蘭戈尼效應的仿生梯度超疏水結構設計方法，其特征在于：通過構建復合陣列結構和在單一結構上安裝納米加熱片，在固體表面同時引入結構梯度和溫度梯度，在這種因為結構梯度和溫度梯度耦合作用而產生的馬蘭戈尼效應下，液滴發生定向移動與自動滾落，使得結構表面具有自潔和液滴收集功能。

4.根據權利要求1所述的基于馬蘭戈尼效應的仿生梯度超疏水結構設計方法，其特征在于：構建具有相同參數的不同的單一陣列結構，消除尺寸對接觸角的影響，使單一陣列結構的形狀成為唯一影響接觸角大小的變量；構建復合陣列結構時，按接觸角大小將各單一陣列結構以同樣的參數值依次排列得到復合陣列結構序列，微調高度參數H或直徑參數D或間距參數W的值再構建復合陣列結構序列，微調單一陣列結構參數保證復合陣列結構表面能在相鄰單一陣列結構序列仍是單調的，不會因為單一陣列結構改變而發生逆轉，從而使液滴在一組復合陣列結構序列能自發移動到下一組復合陣列結構序列。

5.根據權利要求1所述的基于馬蘭戈尼效應的仿生梯度超疏水結構設計方法，其特征在于：所述的復合陣列結構，首先采用激光燒蝕，超精密電火花線切割，紫外線光刻技術加工出復合陣列結構，再借助水熱法，靜電紡絲技術在復合陣列結構上形成二級微納米結構，最后經過低表面能物質修飾得到超疏水復合表面，從而實現液滴的定向移動與自動滾落。