各向异性超疏水表面的设计制备及其定向减阻性能

The design and preparation of anisotropic superhydrophobic surface with groove structure through the bionic surface structure of butterfly wings and rice leaf by using micro-nano preparation and surfactant self-assembly technology is proposed in this work. The relationship between geometrical parameters, wetting parameter and the drag reduction performance will be established, providing a theoretical reference for the application of such surface, such as ships, underwater craft, conveying pipes, microfluidic channels. We intend to study three aspects: (1) preparation of anisotropic superhydrophobic surface with different groove structure through micro-nano technology including lithography, chemical etching, electrochemical method, pattern transfer method and LB film deposition technique. (2) analysis and summarization of the relationship between the factors like geometry, the scale and spacing of grooves, structure and concentration of the surfactant, the LB films type and number of layers, and wetting properties like contact angle, roll angle; (3) assessment of drag reduction properties of the surface through the drag reduction experiments, the velocity distribution near the wall, the slip length, slip velocity, pressure drop, and flux. The quantitative relationship between the geometric parameters, the types and layers of LB film and its drag reduction properties. Finally, the mechanism and model of drag reduction will be proposed and established.

本项目拟通过仿生蝴蝶翅膀和水稻叶面的表面结构，结合微纳制备和表面活性剂自组装技术，设计制备具有沟槽型各向异性超疏水表面，尝试建立该结构几何参数、润湿参量、减阻性能之间的关系，为船舶、水下航行器、输送管道、微流体通道等领域减阻表面的设计应用提供理论参考。拟研究3方面内容：（1）通过光刻法、化学刻蚀法、电化学法、图案转移法等微纳制备技术和LB膜沉积技术在材料表面制备具有不同沟槽结构的各向异性超疏水表面。（2）分析总结几何构型、沟槽尺度与间距、表面活性剂结构及浓度、LB膜类型及层数等因素对接触角、滞后角及滚动角等润湿性能的影响规律；（3）通过流体减阻实验测试，从近壁面速度场分布、滑移长度、滑移速度、压降、流量等方面评估所制备材料表面的减阻性能，建立几何参数、LB膜的类型层数与减阻性能之间的定量关系。进一步结合实验结果分析，对所设计制备结构从理论上提出减阻机理，建立减阻模型。

本课题在对超疏水表面材料的设计制备及其应用研究的基础上提出仿生生物表面，如仿生蝴蝶、水稻、慈竹、芭茅等叶面结构，结合微纳制备技术和表面改性技术，设计制备沟槽型等具有各种类型结构的超疏水表面，并进一步探索其条件优化、几何参数、润湿参数等各种制备结构性能之间的关系，并进一步探索其减阻等性能，为扩展超疏水表面的制备和应用提供参考。.本课题通过化学法、光刻法、激光刻蚀法等微纳制备技术在铜、锌、玻璃、聚四氟乙烯高分子等材料表面成功制得了具有优异性能的超疏水表面，并对各种条件优化、参数影响及性能测试等方面做了深入的研究：（1）表征分析了蝴蝶、银杏、慈竹、芭茅等十余种生物表面，并对其结构润湿性能进行了分析，大多叶面为微沟槽结构并呈现出较强的各向异性润湿，进一步对叶面进行了表面改性、PDMS复制等工作。（2）通过光刻法、化学刻蚀法、激光刻蚀法等微纳制备技术在硅片、聚四氟乙烯高分子片等表面制得了结构规整的微纳沟槽结构，表现出强烈润湿各向异性，并随着结构参数的变化有规律的变化。发现激光刻蚀是一种有效的制备各向异性超疏水表面的方法，在最优激光加工参数下，通过改变激光加工间距来改变乳突状、沟槽状结构间距等参数，探究了不同结构参数对接触角等润湿性能的影响。（3）在铜、锌、玻璃、聚四氟乙烯高分子等材料表面成功制得了超疏水表面，并探索了条件优化、参数影响及其性能测试，探索了各种制备条件、几何构型、几何参数、表面活性剂组装类型与结构数等因素对接触角、滞后角及滚动角等润湿性能的影响规律。（4）进一步对超疏水表面的各种性能进行了测试，表征了其酸碱稳定性、自清洁性能、减阻性能、防覆冰性能。发现制得的超疏水表面具有较好的稳定性，表现出较好的自清洁性能、减阻性能和一定的防覆冰性能。以上研究有利于扩展超疏水表面的制备，尤其是各向异性超疏水表面的制备及其应用，有利于提高超疏水材料的制备及其应用扩展，为超疏水表面的设计制备、条件优化和应用提供理论参考。