超疏水稳定性转变过程的测试方法研究

Inspirations from water repellent structures in nature, particularly the leaves of the lotus, have led to the development of liquid-repellent microtextured surfaces grown significantly within this decade, these bioinspired materials have remarkable features, such as self-cleaning, antibiofouling, or drag reduction, ice self clean. It is important to find out methods to test the transition from Cassie to Wenzel state under water pressure or impact conditions and the facts for wetting mechanisms. The purpose of this programme is to develop new experimental sets up to find out the sustainability transition of Cassie to Wenzel state, the critical pressure of the transition and effect of topology structure on weetting for a superhydrophobic surfaces. Impedance and optical reflection methods are expected to examine and observe evolution of the transition; the relationship betwween transition erergy barrier and the microstructure roughness surface are also investigate so as to understand the transition mechanisms.

超疏水材料制备和应用取得了飞速发展，这些材料在自清洁、无损液体运输、船体减阻和飞行器自除冰等领域有重要价值。但是如何保持超疏结构在水下、压力、冲击等作用下是稳定的,以及了解稳定状态是如何转变的，对于超疏材料的研究和应用具有科学意义和工程价值。 本项目首先提出了液滴弯月面内表面反射方法测试超疏表面接触状态演化过程的实验方法；提出了把液体和超疏水表面微结构的界面相互作用过程转变为阻抗变量，建立基于电化学阻抗谱超疏表面接触状态转变测试的新实验方法。其特色是能够测试大部分超疏水状态和材料，直观的反应了稳定态转化的过程，克服了目前实验费时费力和不直观的问题；能够测试水下超疏水状态的临界压力和液滴的超疏水转变，并且测试过程能够实现连续性；以实验测试数据结合三相接触角，表面张力，毛细力及表面拓扑结构等为考虑因素，弄清Cassie状态到 Wenzel状态转变模型和机理，促进超疏材料的科学发展和应用。

（1）首先发明了超疏水表征方法和技术并测试了超疏水结构的寿命。发明了测试超疏水稳定态转变的测试技术。该技术可以测试表面超疏水稳定态会发生转变时的水深或压力；可以测试有空气和没有空气作用下超疏水的稳定态转变临界值。测试了超疏水结构的寿命，超疏水在水下随时间变化可分为三个阶段，在水深低于毛细力所能抵抗的极限深度时, 超疏水状态的寿命随水深呈指数下降. 气液界面的稳定依靠毛细力产生的悬挂力和空气内部压力维持, 即使空气部分溶解，悬挂力仍能在一段时间内维持气液界面的稳定. 在水深高于毛细力所能抵抗的极限深度时, 空气由于一开始就受到很大的压力迅速溶解进水中, 寿命又进一步缩短。（2）采用超声刻蚀法制备了具有微纳米分级结构的超疏水表面。在室温下对60Si2Mn钢、60#钢、T10钢、Cr06钢、65Mn钢和硅钢表面超声刻蚀构建出多种形貌的微纳米分级结构，其表观接触角高达157.0°、155.80°、157.40°、154.9°、157.6°和156.8°。（3）提出了微纳米分级结构促进沸腾制冷的概念和发明超疏水制冷技术。利用微纳米分级结构储存气泡的现象，对不同超疏水结构进行了真空沸腾制冷降温试验，发现超疏水微纳米分级结构，降温时间和降温效果有大幅度提高，相同时间内，其温度降低要比非超疏水表面低4-6度。（4）研究了纳米液滴自驱动行为和输运尺度效应。利用表面能控制水滴在石墨烯表面上接触角，结果表明水滴能自发的从低表面能区域运动到高表面能区域；研究了液体在不均匀润湿调控微通道中的输运性质，发现在微通道中水的流动性质表现出明显的尺度效应。（5）建立了柱状阵列微结构的超疏水界面模型，在压力驱动Cassie状态由基态向高能态转变的过程中，界面能量的升高会形成界面能量势垒，这一能量势垒决定了Cassie状态的热力学稳定性并阻碍Cassie状态向过渡态转变。（6）蚊子复眼具有超疏水性和防雾功能。建立了复眼的微纳米分级结构模型，界面稳定性分析表明蚊子眼微米和纳米级结构可抵抗的最大压力分别为67 kPa和181kPa，这分别相当于直径4.32 μm 和直径1.529 μm的小雾滴内部的拉普拉斯压力，因此能够有效地抵御外部雾滴的润湿。