有序微结构的设计、制备与纳结构的协同超疏水效应及其损伤影响的研究

The special micro-nano structures with superhydrophobic properties have wide application prospects in the fields of self-cleaning, anti-icing, directional transportation, fluid drag reduction. Comparing with the natural biological surfaces, the artificial superhydrophobic surfaces still show serious deficiencies in the theoretical design, controllable preparation and durability in the engineering application. Hence, this project will emphatically study the design methods of the ordered microstructure on the metal superhydrophobic surface, fabrication technologies of micro/nano structures, enhancement mechanism of nanostructures, as well as environmental damage effects. The aims of this project are to construct the design method and criterion of ordered microstructure based on force balance and interface characteristics, as well as the contact angle prediction model, the wetting state and transition conditions of Micro-nano structures. A variety of controllable preparation technology of microstructures and nanostructures are developed, to obtain the superhydrophobic synergistic action mechanism of micro-nano structures and acquire the influence rules of environmental and mechanical damage characteristics on performance. The theoretical guidances for the design, preparation and engineering durability of metal superhydrophobic surfaces will be provided.

因表面特殊微纳结构而具有超疏水性使其在自清洁、防覆冰、定向运输、流体减阻等领域具有广泛的应用前景。而人工超疏水表面与自然生物表面相比，在工程应用上的理论设计、可控制备以及耐久性方面仍存在严重不足。对此本项目将重点研究金属超疏水表面有序微结构的设计方法、微纳结构制备技术、纳结构的增强机制以及环境损伤影响等。旨在构建基于力平衡及液滴与有序微结构界面特征的超疏水表面有序微结构的设计方法与准则以及微纳复合结构的接触角预测模型、润湿状态与转变条件等。发展多种有序微结构与纳结构的可控制备技术，获得微纳结构对超疏水的协同作用机制以及环境、机械损伤特征对性能的影响与规律，为金属超疏水表面的设计、制备及工程耐用提供理论指导。

因表面特殊微纳结构而具有超疏水性使其在自清洁、防覆冰、定向运输、流体减阻等领域具有广泛的应用前景，但微纳结构的尺度微小且结构复杂，导致在工程应用上的理论设计、可控制备以及耐久性方面仍存在严重不足。对此本项目系统探索了微纳结构Cassie润湿状态的形成条件，以此建立表面结构参数表征与超疏水性能之间的理论关系模型，探究微纳结构间的协同作用与纳米结构的作用机制，研究微纳结构的环境与机械损伤特征及对疏水性能的影响。取得的重要结果如下：基于方柱微/纳米二级结构，构建了四种复合润湿状态的形成条件，发展并建立多种微纳结构的设计方法与准则；其次，创新性地建立纳米结构参数对微纳结构的接触角预测模型，明确了微纳米二级结构的协同机制与纳米结构的作用；最后，在建立多种微纳结构的设计方法与准则的基础上，开展了多种超疏水复合微纳结构的可控制备与性能研究。发现了一种通过温度与再修饰来调控超疏水/超亲水的可逆润湿性转变方法，开展了多种超疏水微纳结构的环境与机械损伤下性能与机制研究，为工程耐用超疏水表面设计和制备提供了理论基础和实践指导。项目的研究对丰富润湿理论，指导超疏水表面微纳结构设计和可控制备具有意义。