1基于“荷叶效应”的超疏水表面的几何设计.

Without Self-cleaning
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With Self-cleaning
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超疏水性的表征量：静态接触角和滚动角
154.5
°
静态接触角： 越大越好 >150o
滚动角： 越小越好< 10o
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获得超疏水表面的途径
固体表面的润湿性能由固体表面的化学组成和微 观结构共同决定： 表面化学组成 低表面自由能物质如含硅、含氟可以得到疏 水的效果。现代研究表明，光滑固体表面接 触角最大为120o左右。 表面几何结构 具有微细粗糙结构的表面可以有效的提高疏 （亲）水表面的疏（亲）水性能。
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满足微细结构表面几何设计的条件

（1）为形成热力学稳定的复合接触态，需要较大的相对柱 高hr（=h/b）。 （2）要得到较大的平衡接触角，应该设计较小的相对柱宽 ar（=a/b）或液固接触面比例（fs=a/(a+b)）。 （3）要达到较小的接触角滞后或滚动角，需要较大的本征 接触角及较小的相对柱宽ar。
基于“荷叶效应”的超疏水表面的几 何设计 湘潭大学 材料与光电物理学院 李文
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自然界中荷叶出淤泥中而展现出具有不受污染，当水珠滴 到荷叶表面不会摊平而是呈现球形珠狀且极易在叶面滚动， 人们通常把它叫做“荷叶效应”（Lotus effect）。
？？？
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荷叶表面出淤泥而不染的机理
1999年，Barthlott 和Neihuis认为：自 清洁的特征是由于 粗糙表面上的微米 结构的乳突以及表 面蜡状物的存在共 同引起的。
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FIG. 2
a1=b1=h1=1m a2=b2=h2=1 nm
FIG. 2 较大的相对柱高（对于大的柱间距，hr=h1/b1=1；对于小的柱间距， hr=h1/b2=1000）；保证复合润湿态 较小的相对柱宽（ar=500a2/(500b2+b1)=0.33）；较大平衡接触角
较小的材料粗糙比（mr=a2/h1=0.001）；不能提供好的机械耐久性
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微细结构表面的接触角理论
Wenzel’s Theory(1936年）： Cassic’s Theory（1944年）：
气垫模型
SV SL cos W r r cos LV
r为实际面积/投影面积
粗糙模型
cosC f s cos f s 1
fs为为与液体接触的固体百分比
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FIG.5
FIG.5能提供较大的平衡接触角和好的机械耐久性，但不能提供复合润湿态。 FIG.6
FIG. 6能够提供稳定的复合态和好的机械耐久性，但不能提供较大的平衡接触角。 FIG.7
FIG. 7能提供较大的平衡接触角和好的机械耐久性，但不能提供复合润湿态
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FIG.8 微纳分形结构
FIG.8 有较小的相对柱宽ar（500a2/（500b2+b1）=0.33）； 较大的相对柱高hr（h1/b1=1 和h2/b2=1分别对应于微、纳结构表面）， 意味着能保证稳定的复合润湿态和大的平衡接触角； 较大的材料粗糙比mr（a1/h1=1和 a2/h2=1分别对应于微、纳结构表面）； 因而这种结构不但可以保证较好的复合润湿态、大的接触角和小的接触角滞后， 而且还有很好的机械持久性能。



（4）上述三个条件可保证良好的超疏水效果，但要保证表 面微结构的耐久性，也就是较好的机械性能，还需要较大的 材料粗糙比mr（a/h）。
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根据微细结构表面几何设计条件对不同微细具体 结构表面的分析
FIG. 1
a1=b1=h1=1m
FIG. 1 具有较大的相对柱高（hr=h1/b1=1）； 提供复合态 较大的材料粗糙比（mr=a1/h1 =1）； 好的机械耐久性 而有较大的相对柱宽（ar=a1/b1=1）；不能提供较大的平衡接触角
Wenzel模型
Cassie模型
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微细结构超疏水热力学理论模型的建立与分析
三维柱状结构示意图， 其中a、b、h的单位为微米级
x-z平面的微结构表面截图 假设液滴的体积不变 Wenael’s state, i.e., noncomposite state Cassie’s state, i.e., composite state
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通过对表面几何参数、粗糙因子、固体百分数、本征接触 角的讨论提出了微细结构表面几何设计的几条准则

（1）必须有较大的粗糙度与本征接触角，保证液滴能 处于稳定的复合润湿状态。
（2）要有较小的固体表面百分比 ，即较细的粗糙结构， 才能达到较大的平衡接触角。 （3）首先要有较大的本征接触角，保证复合润湿态， 然后应有较小的固液比，得到较小的接触角滞后。 （4）较小的柱间距能保证液滴的复合态接触，但是较 大的柱间距可导致较大的平衡接触角。所以需要综合考 虑柱间距与其它微结构参数如柱高、柱宽的匹配，从而 得到同时具备大接触角与小接触角滞后的超疏水表面。
乳突的平均直径为 5~9um。
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荷叶表面的微/纳米复合结构
2002年，江雷等提出 微米结构下面还存在 纳米结构，二者相结 合的阶层结构才是引 起表面自清洁的根本 原因。 单个乳突由平均直径 为120nm结构分支组 成。
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荷叶自清洁的特征表明荷叶这种结构具有 很强的超疏水性(Superhydrophobic)
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FIG.3
FIG.4
FIG.3 较大的相对柱高（hr=h1/b2=1000）；保证复合润湿态 较大的相对柱宽（ar=a2/b2=1）；不能提供较大的平衡接触角 较小的材料粗糙比（mr=a2/h1=0.001）；好的机械耐久性
FIG.4 较大的相对柱高（hr=h1/b1=1）；保证复合润湿态 较小的相对柱宽（ar=a2/b1=0.001）；较大的平衡接触角 较小的材料粗糙比（mr=a2/h1=0.001）；但不能提供好的机械耐久性。
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自由能随接触角的变化 存在稳定态即能量最小点 局部能量最小A(不稳态)和最大 B or C(亚稳态) 前进AB 和后退AC自由能垒 180o具有相同的能量态
自由能垒随接触角滞后的变化 前进角 a 180 后退角 a 120 接触角滞后 a r 180 120 60