超快激光复合法制备三级复杂微纳超疏水表面结构与Cassie-Baxter状态稳定性研究

Based on the “self-cleaning effect” of lotus leaves, superhydrophobic surfaces have been one of the frontiers and focuses in the field of structuring fictional surfaces and are promising candidates in many potential applications like self-cleaning, anti-icing and oil-water separation et al. However, the insufficient CB state stability of superhydrophobic surfaces has been the key problem constraining the commercialized use of superhydrophobic surfaces and also is one of the international difficulties needed to be solved urgently. To meet the requirement of high Cassie-Baxter (CB) state stability for superhydrophobic surface applications, a new hybrid method combining ultrafast laser and liquid-phase deposition was proposed and a new type of metal oxide superhydrophobic surface micro/nano-structures with “nano-submicro-micro” triple-scale structural complexity and excellent CB state stability was designed. This hybrid method overcomes the problems of the poor tunability of ultrafast laser for nanostructures and liquid-phase deposition for micro-structures, leading to the integrated manufacturing and effective tunability of the as-prepared multi-dimension and multi-scale structures. By both theoretic study and experimental analysis, the relationship between the morphology features and CB state stability will be investigated, the mechanism and influence of the precursor micro/nanostructures on the in-situ growth process of metal oxide nano- and submicro-structures will be revealed and the application potential of the prepared metal-oxide superhydrophobic surfaces will also be explored. This project could provide new strategy and theoretical basis for superhydrophobic surface preparation.

基于荷叶表面“自清洁效应”的超疏水表面是结构化功能表面研究的前沿和热点之一，在自清洁、抗结冰和油水分离等方面具有广阔的应用前景，但是，超疏水表面Cassie-Baxter(CB)状态稳定性(即自清洁效应的稳定性)不足的问题一直是限制超疏水表面广泛商业应用的关键，也是目前亟需解决的国际难题之一。本项目针对超疏水表面对CB状态稳定性的应用需求，研究将超快激光与液相沉积法相结合的超疏水表面微纳结构复合制备新方法，突破单一制备方法对纳米或微米结构调控困难等问题，开发一类新的具有“纳-亚微-微”三级结构复杂性、架构可控性和较强CB状态稳定性的多维多尺度金属氧化物微纳结构体系；通过结合理论分析和实验研究，探索微纳多级结构的形貌特征与CB状态稳定性之间的关系，揭示预制微纳结构在金属氧化物纳米和亚微米结构原位生长过程中的作用机理，并探索高稳定性超疏水表面的应用潜能，为超疏水表面走向实际应用奠定一定的基础。

基于荷叶表面“自清洁效应”的超疏水表面是结构化功能表面研究的前沿和热点之一，在自清洁、抗结冰和油水分离等方面具有广阔的应用前景。但迄今为止，除了在纺织品表面的应用之外，几无其他已商业化的应用，其中，限制超疏水表面商业化应用的主要原因便是超疏水表面的Cassie-Baxter (CB) 状态稳定性和机械耐久性不足。因此，如何解决超疏水表面CB状态稳定性和机械耐久性不足的问题是实现超疏水表面成功应用的关键，也是目前国际面临的难题之一。. 本文针对超疏水表面对CB状态稳定性和机械耐久性的应用需求，采用将“自上而下”的超快激光与“自下而上”的液相沉积法相结合的复合制备方法，开发出了一类新的具有多级结构复杂性、架构可控性、较强CB状态稳定性和机械耐久性的金属氧化物超疏水表面结构，并通过系统的实验研究和理论分析，研究了微纳多级结构的尺寸和形貌特征与超疏水表面CB状态稳定性和机械耐久性之间的内在关系，探索了超疏水表面在防结冰和疏冰方面的应用性能。研究结果表明，表面粗糙度的提高和结构级数的增加对超疏水CB状态稳定性的促进作用。经过结构优化后，具有最好CB状态稳定性的三级微纳超疏水表面的临界拉普拉斯压力可达1450Pa。对优化了CB状态稳定性的MNR超疏水表面的机械耐久性研究结果表明，MNR超疏水表面在接触角减小到150°和滚动角增加到10°之前可以承受500次的胶带剥离、4次线性磨损周期以及35分钟的水流动态冲击，表明本文采用超快激光复合化学氧化法制备的多级微纳超疏水表面结构不仅具有优异的CB状态稳定性还具有良好的机械耐久性。对多级微纳超疏水表面的防除冰性能研究结果表明，液滴浸润深度、最低的表面粘附性以及最好的CB状态稳定性，因此呈现出最好的综合防结冰性能和疏冰性能，其冰粘附强度仅为2kPa左右，冰在该表面上可仅在自身重力的作用下从表面脱离，具有理想的疏冰性能。. 本项目为实现超疏水表面的广泛应用奠定一定的理论和技术基础，也为超疏水表面的多功能应用提供一定的借鉴意义。