超疏水表面上微纳结构
超疏水涂料的制备方法研究
超疏水涂料的制备方法研究在当今科技飞速发展的时代，超疏水涂料因其独特的性能引起了广泛的关注和研究。
超疏水涂料具有出色的防水、防污、自清洁等特性，在众多领域都有着潜在的应用价值，如建筑、汽车、航空航天、电子等。
因此，探索超疏水涂料的制备方法具有重要的意义。
一、超疏水涂料的基本原理要理解超疏水涂料的制备方法，首先需要了解其实现超疏水性能的基本原理。
超疏水现象通常是由表面的微观结构和低表面能物质共同作用的结果。
从微观结构来看，表面通常具有粗糙的微纳米结构，这些结构可以增加表面的实际接触面积，使得液滴在表面上难以完全浸润。
就像荷叶表面的乳突结构，使得水滴能够在其表面轻松滚动而不留下痕迹。
而低表面能物质则能够降低表面的自由能，进一步增强疏水性能。
常见的低表面能物质包括含氟化合物、硅氧烷等。
二、常见的超疏水涂料制备方法1、溶胶凝胶法溶胶凝胶法是一种较为常见的制备超疏水涂料的方法。
其基本过程是将前驱体在溶液中进行水解和缩合反应，形成溶胶，然后经过凝胶化、干燥和热处理等步骤，得到具有特定结构和性能的涂层。
在制备过程中，可以通过控制反应条件，如溶液的浓度、pH 值、反应温度和时间等，来调节涂层的微观结构和性能。
同时，还可以引入低表面能物质，如含氟硅烷，来降低表面能，实现超疏水性能。
例如，以正硅酸乙酯（TEOS）为前驱体，通过水解和缩合反应形成二氧化硅溶胶。
然后将含氟硅烷与溶胶混合，涂覆在基底上，经过干燥和热处理，得到超疏水涂层。
2、相分离法相分离法是利用两种或多种不相容的聚合物在共混过程中发生相分离，形成具有微观粗糙结构的涂层。
通过选择合适的聚合物体系和相分离条件，可以控制涂层的微观结构和疏水性能。
一种常见的相分离法是热诱导相分离（TIPS）。
将聚合物共混物加热到高于其熔点的温度，形成均相溶液。
然后在冷却过程中，由于不同聚合物的相容性差异，发生相分离，形成微观结构。
例如，将聚偏氟乙烯（PVDF）和聚苯乙烯（PS）共混，通过热诱导相分离制备超疏水涂层。
具有微纳米结构超疏水表面润湿性的研究
关键词 接触角 超疏水表面 微纳米结构表面 接触角滞后 中图分类号 : O64715 文献标识码 : A 文章编号 : 10052281X(2006) 1121425209
第 11 期
徐建海等 具有微纳米结构超疏水表面润湿性的研究
·1427 ·
溶液 ,通过气致相分离的方法使 PDMS 链段在表面 富集 ,从而得到了超疏水性表面[47] 。
3 微纳米结构超疏水表面润湿性能研究
311 微纳米结构对表面润湿的影响 影响固体表面润湿性的因素很多 ,主要有固体
表面的性质 、温度 、湿度等 。在测试液 、温度和湿度 条件选定时 ,固体表面化学结构和几何结构是影响 固体表面接触角的主要因素 。对于具有微纳米结构 的表面来说 ,表面几何结构 (粗糙度 、孔隙率 、结构尺 寸 、结晶等) 对润湿性能有着很大的影响 。
Key words contact angle ; superhydrophobic surfaces ; surfaces with micro2 and nano2structures ; contact angle hyste质之一 ,通常用液 体在固体表面的接触角来表征 。一般把水的接触角 大于 150°的固体表面称为超疏水表面 。已经证明一 种简单而又有效的达到超疏水性的方法是在固体表 面制备微纳米结构[1 —3] 。许多植物叶表面的疏水性 非常强 ,水滴落上之后会滚落且不留痕迹 。最典型 的是荷叶表面 , 水滴与叶面之间的接触角平均为 160°,水滴很容易滚落 ,这种强疏水性现象被称为荷 叶效应 (lotus effect) 。早在 20 世纪 70 年代 ,人们就 发现荷叶表面微米尺度的粗糙结构是其具有疏水性 与自清洁功能的关键 。江雷研究组发现在荷叶表面
金属疏水表面构造
金属疏水表面构造
金属疏水表面的构造通常涉及到一些特殊的微观结构和表面处理技术。
以下是几种常见的金属疏水表面构造方法：
微纳结构：通过刻蚀、光刻等技术，在金属表面制造出微米、纳米级别的粗糙结构，这些结构可以影响金属表面的润湿性，使金属表面呈现出疏水性。
例如，采用激光刻蚀技术在金属表面形成微米级别的凹坑，或者利用纳米压印技术在金属表面构造纳米尺度的纹理结构。
仿生结构：模仿自然界中的一些具有疏水性的生物表面，如荷叶、昆虫翅膀等，在金属表面制造出类似的微观结构。
例如，通过电化学沉积或化学刻蚀等方法，在金属表面形成类似于生物表面的微纳复合结构。
化学处理：通过在金属表面进行化学镀膜、涂层或反应镀等方法，改变表面的化学组成和性质，使其呈现出疏水性。
例如，在金属表面涂覆一层聚合物薄膜或氟化物涂层，使其具有较低的表面能，从而呈现出疏水性。
微纳织构：通过在金属表面制造出微纳尺度的织构结构，如凹槽、凸起等，来改变表面的润湿性。
这些织构结构可以在加工过程中形成，也可以通过刻蚀、光刻等技术制造出来。
以上方法可以单独使用，也可以结合使用，以获得最佳的疏水效果。
金属疏水表面的构造对于自清洁、防雾、防水等功能的应用具有重要意义。
姚朝晖-微纳结构超疏水表面的湍流减阻机理研究
第35卷第4期力学与实践2013年8月微纳结构超疏水表面的湍流减阻机理研究1)卢思姚朝晖2)郝鹏飞傅承诵(清华大学航天航空学院工程力学系，北京100084)摘要超疏水表面的优异性质使其在现代生活和工业生产中具有十分广泛的潜在应用价值.本文采用了碳纳米管缠绕技术和聚氟硅氧烷疏水化处理方法制备了具有二级微纳米结构的超疏水表面.测量了由该超疏水表面构建的槽道中的流动压降，将其与普通表面构建的槽道内的流动压降进行比较，发现在层流情况下，流动阻力减小最多达到了22.8%.在湍流的情况下，超疏水表面的减阻比例约为53.3%，减阻效果比层流更加明显.利用PIV (particle image velocimetry)技术测量了具有超疏水表面的槽道内的速度场，通过超疏水表面速度滑移和湍动脉动场信息，分析了湍流减阻效果比层流更加明显的物理机制.关键词超疏水表面，二级微纳米复合结构，湍流，减阻，壁面滑移中图分类号：O357.1文献标识码：ADOI ：10.6052/1000-0879-13-098DRAG REDUCTION IN TURBULENT FLOWS OVERSUPERHYDROPHOBIC SURF ACES WITH MICRO-NANO TEXTURES 1)LU SiYAO Zhaohui 2)HAO Pengfei FU Chengsong(Department of Engineering Mechanics,School of Aerospace,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract The superhydrophobic surfaces have a very wide range of potential applications in the modern life and industrial production due to their excellent properties.In this paper,a kind of superhydrophobic surface was fabricated by pasting micro-nano particles onto an aluminium or PMMA (polymethylmethacrylate)substrate.The micro-nano particles were obtained by carbon nanotubes winding technology and hydrophobic processing.The pressure drop measurements were carried out in the channel with superhydrophobic surfaces pared with the common surface channel,the flow resistance decreases by about 22.8%at most in the laminar flow.In the turbulent flow,the drag reduction can reach 53.3%.The velocity field in the channel with such superhydrophobic surfaces was measured by particle image velocimetry (PIV)technology.Through the slip velocities in the superhydrophobic surface and the turbulent fluctuations,the physical mechanism is revealed to show that the turbulent friction reduction effects are apparently better than in cases of laminar flows.Key words superhydrophobic surface,micro-nano dual-scale structures,turbulent flow,drag reduction,slip velocity引言超疏水表面的优异性质使其在现代生活和工业生产中具有十分广泛的潜在应用价值，如利用其自清洁性[1]，疏水材料可以作为防污材料[2]、防腐蚀材料和管道减阻，近些年来将超疏水材料用于水中运输工具或水下潜艇上[3]，以减小水的阻力，提高2013–03–21收到第1稿，2013–06–03收到修改稿.1)国家自然科学基金资助项目(11272176).2)姚朝晖，博士，副教授，研究方向为微流动.E-mail:yaozh@第4期卢思等：微纳结构超疏水表面的湍流减阻机理研究21行驶速度也开始得到人们的关注.Ou 等[4-5]在一系列高76µm <H <254µm ，宽高比W/H =20,长度L =50mm 的微管道中,发现超疏水表面构成的槽道对层流具有减阻效应,最大减阻甚至达到了40%.而减阻的效应随着超疏水表面的微结构的尺寸不同而变化.Watanabe 等[6]研究了直径6mm和12mm 具有高疏水壁面的管道流动,由于表面覆盖了一层10µm ∼20µm 的微沟槽,在500<Re <10000的流动状态下,流动阻力减少了14%.Choi 等[7]采用500nm 高230nm 间距纳米柱结构形成超疏水表面,将其应用于3µm 的微管道中,压降较普通微管道降低20%∼30%.在我们前期的研究[8]中，利用由碳纳米制成的无序缠绕碳纳米管构建成的超疏水表面进行流动阻力实验，发现对于层流而言，由二级微纳米复合结构构成的超疏水表面比仅仅具有一级结构的疏水表面具有更好的减阻效应.超疏水表面不仅对层流能够产生减阻效用[9-11]，而且对湍流的流动阻力也有影响.2006年，Krupenkin [12]先后利用两种具有不同微结构(纳米草和微米砖)的超疏水表面进行实验，发现相比层流而言，拥有微结构的超疏水表面对湍流具有更加明显的减阻效应.Daniello 等[13]利用具有沿流向微槽道结构的超疏水表面进行了流动实验，当流动在层流范围内时(0<Re <2200)在超疏水表面的流动阻力并没有减小，但是随着雷诺数的增加，当流动开始由层流变为湍流的时候，流动阻力开始明显地减小.并且随着雷诺数的增加，减阻的比例越来越高.但是当雷诺数增加到一定程度时，减阻的比例就不再减小.Woolford 等[14]采用光刻蚀技术制备的具有微脊结构的超疏水表面进行了湍流流动实验，并利用PIV (particle image velocimetry)对槽道内的流动速度进行了测量，发现当微脊沿着流动方向的时候，该超疏水表面能够有效地减小流动阻力，但是当微脊的方向与流动方向相垂直的时候，流动阻力反而增加了.前人的超疏水表面基本上是微米或纳米一级结构，对具有微纳二级结构的超疏水表面进行流动减阻和机理研究尚少有报道.1超疏水表面的制备本文所采用的超疏水表面的制备方法是首先以单体的形式制备出超疏水表面上的微米尺度的微纳米复合结构单元，又叫无序缠绕碳纳米管，然后再采用涂敷工艺，将碳纳米管复合颗粒粉体粘结在表面上，构成微纳米复合结构表面，如图1所示.无序缠绕碳纳米管的制备方法见参考文献[8]，将无序缠绕碳纳米管粉体放入聚氟硅氧烷溶液中进行疏水化处理，聚氟硅氧烷的化学学名叫做十七氟癸基三乙氧基硅烷，化学式C 8F 17C 2H 4Si(OCH 3)3，是一种无色至淡黄色透明液体.有良好的透气性能，能够耐高温、耐氧化、耐紫外线辐射，而且具有疏水疏油性质.经过疏水处理过的二级微纳米结构表面具有超疏水性.采用接触角测量仪(JC2000CD1)对表面进行接触角和滚动角测量，得到该超疏水表面接触角为151◦，滚动角为0.9◦.图1超疏水表面制备示意图2实验方法与过程2.1流动阻力实验本流动阻力实验的实验示意图见图2，槽道尺寸长240mm 、宽12mm 、高0.96mm ，在槽道上表面的两端端口处各有一个小孔作为入水口和出水口，从入口端向内60mm 处以及出口向内40mm 处，则是压力传感器安装的位置，用来测量这两点之间的压差，而这两个测量孔处的流动，经过模拟计算，在该测点间流动已经进入充分发展区了.在实验中质量流量由精密天平测量得到.图2流动阻力实验示意图对于层流流动，在矩形槽道内的普通流动中，沿程阻力系数[15]f =∆p (L/D H )2ρU 2=92Re(1)其中,∆p 为两侧点间压差(压降),ρ为流体密度,L 为压差测量两点之间的距离，U 为槽道内流体的平均速度，通过流量与槽道横截面积可以算出.Re =ρUD H /µ,D H 为水力直径D H =4A/P(2)22力学与实践2013年第35卷假定在超疏水表面构建的槽道中，沿程阻力常数为C f−SuperHyd，那么其沿程阻力系数满足f SuperHyd=∆p(L/D H)2ρU2=C f−SuperHydRe(3)在实验过程中只要测量出两点之间的压差，就能够计算出该流动中的沿程阻力系数，进而把普通槽道内的流动与超疏水表面槽道内的阻力进行比较.2.2PIV实验为了确定在超疏水表面流动减阻的机理，利用PIV技术对槽道中的流场进行细致测量.在PIV实验中，片光源和CCD相机分别在槽道的正上方和正前方，利用片光源照亮待测槽道中心截面，如图3所示.槽道长为600mm，宽20mm，深3.5mm(为了使流场细节更加清晰，放大了槽道尺寸)，其基底为有机玻璃，槽道的下表面是超疏水表面，上表面采用透明的有机玻璃盖板，以方便测量.示踪粒子采用镀银的空心玻璃微珠，其型号为900875，粒径在14µm左右，密度与水接近，具有很好的跟随性.水泵是微型磁力潜水泵，最大流量为2800ml/min.图3PIV实验示意图3数据处理与分析3.1流动阻力实验结果在湍流研究中，分别测量了具有相同槽道尺寸(长240mm，宽12mm,高0.96mm)的光滑槽道和带超疏水表面的槽道从层流到湍流的流动压降和相应的质量流量，采用沿程阻力系数计算公式得到了各流动雷诺数下的沿程阻力系数与雷诺数的关系曲线如图4所示.图4普通槽道与超疏水材料槽道沿程阻力系数比较从图4可以看到，在普通槽道中，当雷诺数达到1300∼1400的时候，流动压降急剧增加，沿程阻力系数随着雷诺数的增加而增大，这表明在普通槽道中流动由层流向湍流过渡.而在由无序缠绕碳纳米管构成的超疏水表面的槽道内，当雷诺数达到1300∼1400的时候，沿程阻力系数仍然随着雷诺数的增加而减少，这说明具有微纳米结构的超疏水表面能够增大槽道内流动的转捩雷诺数，使得流动更不容易进入湍流状态，从而达到减阻的效果.对于层流，根据实验测得压降，由式(3)可以计算出经聚氟硅氧烷疏水化处理的槽道沿程阻力系数常数为C f−SuperHyd=71，其减阻达到了22.8%.对于湍流而言，由于目前还没有解析解也没有相对应的经验公式，因此在这里我们根据槽道中压降随雷诺数变化的趋势来评估湍流情况下超疏水表面构建的槽道内的减阻效应.根据图4中的数据结果，估算出在本实验最大Re工况下，与普通槽道实验结果相比，利用聚氟硅氧烷进行疏水化处理之后的超疏水表面的减阻比例约为53.3%.从实验的结果来看，在具有超疏水表面的槽道中，湍流情况下的流动减阻比层流情况下的流动减阻效果更加明显.3.2PIV实验结果在PIV实验中，对于某一个雷诺数下的流动，在槽道中选定某一沿流向的竖直平面，CCD相机两次曝光间隔时间为0.5ms，一共拍摄200对共计400幅图，可以计算出200个瞬时速度场，两两速度场的时间间隔是400ms.调整水泵的转速，可以进行不同雷诺数下的槽道内流场测量.现以雷诺数Re=2441的流场为例，进行流动减阻机理研究.图5给出了槽道内的平均速度场，其中X为槽道流动方向无量纲长度(X=x/L,L为槽道长度),第4期卢思等：微纳结构超疏水表面的湍流减阻机理研究23 Y为槽道深度方向无量纲长度(Y=y/H,H为槽道深度),图6给出了剖面上X方向的无量纲速度分布图，从两图上可以看出来，在Y=0，即超疏水表面的固壁处，流体的速度要大于普通表面附近的速度，因此存在一定的速度滑移.而在Y=1处，即普通光滑有机玻璃表面的固壁处，流体速度近似为0.图5槽道内的平均速度场图6剖面上X方向的无量纲速度U图7为剖面上X方向的无量纲速度脉动均方根量随着Y的分布.图8和图9表示槽道内剖面上的无量纲雷诺切应力和无量纲总剪切应力.在湍流状态下，超疏水表面附近的雷诺切应力以及总剪切应力比较小，在普通表面附近，雷诺切应力以及总剪切应力都比超疏水表面附近对应的物理量大，这是因为在超疏水表面的速度滑移抑制了壁面附近的速度脉动，进而减少了由脉动动量输运而产生的雷诺应力和湍动能的生成.图7剖面上X方向的无量纲速度脉动均方根量图8剖面上无量纲雷诺应力图9剖面上无量纲总剪切应力4结论超疏水表面的优异性质使其在现代生活和工业生产中具有十分广泛的潜在应用价值.本文采用了碳纳米管缠绕技术和聚氟硅氧烷疏水化处理方法制备了具有二级微纳米结构的超疏水表面.测量了由该超疏水表面构建的槽道中的流动压差，将其与普通表面构建的槽道内的流动压差进行比较，发现在层流情况下，流动阻力减小最多达到了22.8%.24力学与实践2013年第35卷在湍流的情况下，超疏水表面的最大减阻比例约为53.3%，减阻效果比层流更加明显.利用PIV技术测量了具有超疏水表面的槽道内的速度场，研究发现在超疏水表面的速度滑移抑制了壁面附近的速度脉动，进而减少了由脉动动量输运而产生的雷诺应力和湍动能的生成，这可能是湍流减阻效果比层流更加明显的物理机制.参考文献1Barthlott W,Neinhuis C.Purity of the sacred lotus or es-cape from contamination in biological surfaces.Planta, 1997,202(1):1-82Neinhuis C,Barthlott W.Characterization and distribu-tion of water-repellent,self-cleaning plant surfaces.Annals of Botany,1997,79(6):667-6773Jiang CG,Xin 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mi-crochannel with hydrophobic surface patterned microribs oriented parallel to theflow direction.Physics of Fluids, 2007,19(9):09360311Su Bin,Li Mei,Lu Qinghua.Toward understanding whether superhydrophobic surfaces can really decreaseflu-idic friction ngmuir,2010,26(8):6048-605212Krupenkin TN.Turbulent drag reduction using superhy-drophobic surfaces.In:3rd AIAA Flow Control Confer-ence,San Francisco,200613Daniello RJ,Waterhouse NE,Rothstein JP.Drag reduction in turbulentflows over superhydrophobic surfaces.Physics of Fluids,2009,21(8):08510314Woolford B,Prince J,Maynes D,et al.Particle image ve-locimetry characterization of turbulent channelflow with rib patterned superhydrophobic walls.Physics of Fluids, 2009,21(8):08510615Blevins RD.Applied Fluid Dynamics Handbook.New York:Van Nostrand Reinhold,1984(责任编辑:胡漫)～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～(上接第30页)8Dabiri S，Sirignano WA.Effects of cavitation on the breakup of liquid jets:Bubble growth，distortion，and 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Yiwei,Huang Chenguang,Du Tezhuan,et al.Mechanism analysis about cavitation collapse load of underwater vehihles in a verti-cal launching process.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2012,44(1):39-48(in Chinese))14匡兴华.美国新型战略武器发展综述.国防科技，2008，(1): 21-32(Kuang Xinghua.A survey on American new-style strategic weapons.National Defense Science&Technol-ogy，2008，(1):21-3215刘荣贺.基于NASTRAN优化的某导弹结构模型修正.现代防御技术，2011，39(6):106-110(Liu Ronghe.Missile struc-ture model updating based on NASTRAN optimization.Modern Defense Technology，2011，39(6):106-110(in Chi-nese))16李贤兵.基于NASTRAN的红外整流罩组件结构分析.航空兵器，2012，(3):41-43(Li Xianbing.The structural analysis of infrared dome subassembly based on NASTRAN.Aero Weaponry,2012,(3):41-43(in Chinese))(责任编辑:刘希国)。
超疏水表面仿生原型制备技术研究分析
超疏水表面仿生原型制备技术研究分析一、超疏水表面的原理和特性超疏水表面是指表面上具有极高的接触角，通常大于150°，同时具有极低的滚动角，通常小于10°的一类特殊表面。
这种表面具有“莲叶效应”，水滴在其表面上会形成近似球形的形态，因此也被称为“莲叶效应”表面。
超疏水表面的主要特性包括低表面能、微纳结构和化学成分复杂等。
超疏水表面在许多领域具有广泛的应用前景，例如自清洁表面、防冰、防腐、微液滴传输等。
1. 硅基超疏水表面制备技术硅基超疏水表面制备技术主要是利用硅基材料的化学特性和微纳米结构来实现超疏水。
常用的制备方法包括溅射沉积、刻蚀和溶胶-凝胶法等。
通过这些方法可以在硅基材料表面构筑微纳米结构，从而实现超疏水表面的制备。
硅基超疏水表面具有良好的化学稳定性和机械稳定性，在自清洁、防腐蚀、防水和油、污染物阻隔等方面具有广泛的应用前景。
目前，超疏水表面制备技术已经取得了一系列成果，但仍然存在一些问题和挑战需要解决。
在制备过程中需要考虑表面微纳米结构的稳定性和耐久性，尤其是在复杂的环境条件下，这对制备技术的稳定性和可靠性提出了更高的要求。
超疏水表面的制备成本较高，需要考虑降低制备成本和提高制备效率的问题。
超疏水表面的应用领域和范围还需要进一步拓展和完善，需要更多的交叉学科和跨领域的合作研究。
超疏水表面的环境友好性和可持续性也需要引起足够的重视，需要考虑如何降低对环境的影响和提高资源的利用率。
超疏水表面是一个具有很高应用潜力的研究领域，随着材料科学、表面科学和纳米科技等领域的不断发展，相信超疏水表面制备技术会迎来更大的突破和进展，为人类社会的可持续发展和进步做出更大的贡献。
希望通过本文对超疏水表面仿生原型制备技术的研究分析，能够为相关领域的研究者和工程师提供一定的参考和帮助，推动超疏水表面制备技术的进一步发展和应用。
超疏水表面微结构对其疏水性能的影响及应用
超疏水表面微结构对其疏水性能的影响及应用一、本文概述超疏水表面，也称为超防水表面或荷叶效应表面，是指具有极高水接触角和低滑动角的固体表面。
这种特殊的表面性质使水滴在其上几乎无法附着，即使附着也能轻易滚落，因此具有自清洁、防腐蚀、防结冰、防雾等独特功能。
超疏水表面的这些特性在材料科学、物理学、化学、生物学、机械工程、航空航天、建筑等领域具有广泛的应用前景。
超疏水表面的特性主要来源于其独特的微结构，这些微结构可以在微米甚至纳米尺度上影响水滴与固体表面的接触行为。
因此，研究超疏水表面微结构对其疏水性能的影响，对于理解超疏水表面的作用机制、优化超疏水表面的制备工艺、拓展超疏水表面的应用领域具有重要的理论价值和实际意义。
本文旨在全面系统地探讨超疏水表面微结构对其疏水性能的影响，包括微结构的类型、尺寸、分布等因素对超疏水性能的影响机制。
本文还将介绍超疏水表面的制备方法、应用领域以及存在的挑战和未来的发展方向。
通过本文的研究，我们期望能够为超疏水表面的进一步研究和应用提供有益的理论支持和实践指导。
二、超疏水表面微结构的基本原理超疏水表面，也称为超防水表面或荷叶效应表面，是一种具有特殊微纳米结构的表面，其水接触角大于150°，滚动角小于10°。
这种表面具有优异的防水性能，水珠在其表面难以停留，极易滚动脱落。
超疏水表面的微结构原理主要基于两个方面：表面粗糙度和表面化学组成。
表面粗糙度对超疏水性能的影响至关重要。
通过构建微纳米尺度的粗糙结构，可以大大增加固体表面的实际面积，从而在表面与水滴之间捕获更多的空气，形成稳定的空气垫。
这种空气垫的存在显著减少了固体表面与水滴的直接接触面积，降低了表面能，从而提高了表面的疏水性能。
表面化学组成也对超疏水性能产生重要影响。
通过引入低表面能的物质，如氟硅烷、长链烷烃等，可以降低固体表面的自由能，进一步提高其疏水性能。
这些低表面能物质可以在微纳米结构表面形成一层自组装单分子层，进一步减少水滴与固体表面的接触，增强超疏水效果。
超疏水表面上的微纳结构
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超疏水表面结构
超疏水的荷叶和表面结构
（a)球形的水滴滴在荷叶表面 （b)荷叶表面大面积的微结构 （c)荷叶表面单个乳突 （d）荷叶表面的纳米结构
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超疏水表面结构
通过实验测试，水滴在荷叶表面的接触角和滚动角分别为161.0°左右和2º 左右 。这使得荷叶具有了很好的自清洁能力。 由于荷叶微纳结构的存在，大量空气储存在这些微小的凹凸之间，使得水珠只 与荷叶表面乳突上面的蜡质晶体毛茸相接触，显著减小了水珠与固体表面的接 触面积，扩大了水珠与空气的界面，因此液滴不会自动扩展，而保持其球体状 ，这就是荷叶表面具有超疏水性的原因所在。
1维：指在空间有两维处于纳米尺度,如纳米丝、纳米棒、纳米管等
2维：指在3维空间中有1维在纳米尺度,如超薄膜多层膜,超晶格等。
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微纳结构
2.什么是微纳结构？
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超疏水表面结构
1.什么是超疏水？
接触角 θ<90̊ 的固体表面称之为亲水表面 接触角 90̊<θ<150̊ 的固体表面称之为疏水表面 接触角 θ>150̊ 的固体表面称之为超疏水表面
9
10
20 °C, 25 °C, 30 °C and 35 °C温度下 铜箔表面的微纳结构（扫描电镜下观察而得 ）
超疏水表面结构（超疏水结构性能检测）
铜箔不同结构和润湿性表面结露情况对比 (a) 未处理平铜箔
(b) 具有微米结构的铜箔
(c) 具有纳米结构的铜箔 (d)具有微纳复合结构的铜箔.
凝结速度不同 液滴分布不同 液滴开始冻结的时间不同
微纳结构的应用
轮船船底涂料
轮 船 底 部 的 低 表 面 能 防 污 涂 料
请各位老师同学批评指正
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超疏水材料原理
超疏水材料原理
超疏水材料是一种具有特殊表面性质的材料，其表面能够使水珠呈现极高的接
触角，从而表现出极强的疏水性能。
这种材料在许多领域都有着广泛的应用，比如防水材料、自清洁表面、油水分离等。
超疏水材料的原理主要包括表面微纳结构和表面能的调控两个方面。
首先，超疏水材料的表面微纳结构是实现其疏水性能的关键。
通过在材料表面
构建微纳米级的结构，可以使水珠无法在表面扩展，从而呈现出极高的接触角。
这种微纳结构可以通过化学方法、物理方法或者生物方法来实现，比如化学蚀刻、溅射沉积、模板法等。
这些方法可以使材料表面形成类似莲叶表面的微结构，从而实现超疏水性能。
其次，表面能的调控也是实现超疏水性能的重要手段。
表面能是指材料表面与
水之间的相互作用能力，通常通过表面能的测量可以得到材料的亲水性或疏水性。
超疏水材料的表面能通常非常低，这是因为其表面通常被有机物或者氟化物所修饰，从而降低了表面的极性。
通过这种表面能的调控，可以使材料表面呈现出极强的疏水性能，从而实现超疏水效果。
总的来说，超疏水材料的原理是通过表面微纳结构和表面能的调控来实现的。
这种原理不仅可以应用于材料表面的设计和制备，还可以为我们提供更多的启示，比如在生物材料、环境材料等方面的应用。
超疏水材料的研究和应用前景广阔，相信随着科学技术的不断进步，超疏水材料将会在更多的领域得到应用和推广。
超疏水材料原理
超疏水材料原理
超疏水材料是一种具有特殊表面性质的材料，其表面能够将水
珠完全排斥，表现出极强的疏水性能。
这种材料在许多领域都有着
广泛的应用，比如防水涂层、防污染材料、微流体控制等。
超疏水
材料的原理主要涉及到表面微纳结构和化学成分两个方面。
首先，超疏水材料的微纳结构对其疏水性能起着至关重要的作用。
这种材料的表面通常具有微米级别的凹凸结构，或者纳米级别
的纳米柱、纳米孔等微纳结构。
这些微纳结构能够使水珠在材料表
面产生极小的接触面积，从而减小了表面与水珠之间的黏附力。
同时，这些微纳结构也能够增加表面的粗糙度，使水珠在表面上滚动
时更加顺畅，进一步增强了疏水性能。
因此，微纳结构的设计和制
备是实现超疏水材料的关键。
其次，超疏水材料的化学成分也对其疏水性能有着重要影响。
许多超疏水材料都是经过特殊的化学处理，使其表面具有疏水基团，比如氟碳链、硅烷基等。
这些疏水基团能够减小表面的极性，使其
表现出较强的疏水性。
同时，一些特殊的化学成分还能够提高材料
的稳定性和耐久性，使其在实际应用中能够长期保持良好的疏水性能。
综合来看，超疏水材料的疏水原理主要包括表面微纳结构和化学成分两个方面。
通过合理设计和制备微纳结构，以及选择合适的化学成分，可以实现超疏水材料的制备。
未来，随着材料科学和表面工程技术的不断发展，超疏水材料在防水、防污染、微流体控制等领域的应用前景将会更加广阔。
超疏水功能界面的制备及应用
超疏水功能界面的制备及应用一、概述超疏水功能界面，也称为超疏水表面或荷叶效应表面，是一种具有特殊润湿性质的材料表面，其接触角大于150，滚动角小于10，显示出极强的水排斥性。
自然界中，如荷叶、水黾足等生物表面就具有这种超疏水特性，使得水滴在其表面难以停留，容易滚动。
近年来，随着纳米技术的飞速发展，人工制备超疏水功能界面的研究取得了显著的进展，其应用领域也日益广泛。
超疏水功能界面的制备通常涉及低表面能物质的修饰和微纳米结构的构建。
低表面能物质如氟硅烷、长链烷烃等可以通过降低表面张力，使水滴在材料表面难以铺展。
而微纳米结构则可以通过捕获空气，形成一层气垫，进一步增强表面的疏水性。
超疏水功能界面在多个领域具有广泛的应用前景。
在防水材料领域，超疏水表面可以有效提高材料的防水性能，延长使用寿命。
在自清洁材料领域，超疏水表面可以轻易去除表面的水滴和污渍，实现自清洁效果。
超疏水功能界面在油水分离、抗腐蚀、抗结冰、生物医学等领域也具有潜在的应用价值。
本文旨在综述超疏水功能界面的制备方法、性能表征以及应用领域，为相关领域的研究者提供参考和借鉴。
同时，本文还将探讨当前超疏水功能界面研究中存在的问题和挑战，展望未来的发展方向。
1. 阐述超疏水功能界面的概念及特点超疏水功能界面是一种特殊的表面结构，具有极高的水接触角和极小的滚动角，使得水滴在表面上难以润湿和附着。
这种独特的性质赋予了超疏水功能界面许多引人注目的特点和应用潜力。
超疏水功能界面的水接触角通常大于150，有时甚至接近180，这意味着水滴在接触表面时会迅速弹起，形成类似于荷叶上的“水珠”现象。
这种超疏水性来源于表面的微观结构和化学组成，通过调控表面的粗糙度和引入低表面能物质，可以实现从亲水到超疏水的转变。
超疏水功能界面具有自清洁效应。
由于水滴在超疏水表面上难以停留，因此灰尘、泥土等污染物在表面上的附着力也会被大大削弱。
当水滴滚落时，可以轻易地将这些污染物带走，从而实现表面的自清洁。
超疏水表面微纳二级结构对冷凝液滴最终状态的影响
超疏水表面微纳二级结构对冷凝液滴最终状态的影响刘天庆;孙玮;孙相彧;艾宏儒【摘要】从超疏水表面(SHS)上初始冷凝液核长大、合并、形成初始液斑开始,分析计算了冷凝液斑变形成为Wenzel或Cassie液滴过程中界面能量的变化,并以界面能曲线降低、是否取最小值为判据,确定冷凝液滴的最终稳定状态.计算结果表明:在只有微米尺度的粗糙结构表面上,冷凝液滴的界面能曲线一般都是先降低再升高,呈现Wenzel状态;而当表面具有微纳米二级粗糙结构,且纳米结构的表面空气面积分率较高时,冷凝液滴的能量曲线持续降低,直至界面能最小的Cassie状态,因此可以自发地形成Cassie液滴.还计算了文献中具有不同结构参数的SHS上冷凝液滴的状态和接触角,并与实验结果进行了比较,结果表明,计算的冷凝液滴状态与实验观察结果完全吻合.因此,微纳二级结构是保持冷凝液滴在SHS上呈现Cassie状态的重要因素.【期刊名称】《物理化学学报》【年(卷),期】2010(026)011【总页数】8页(P2989-2996)【关键词】超疏水表面;微纳结构;表面;界面;自由能;冷凝【作者】刘天庆;孙玮;孙相彧;艾宏儒【作者单位】大连理工大学化工学院,辽宁,大连116024;大连理工大学化工学院,辽宁,大连116024;大连理工大学化工学院,辽宁,大连116024;大连理工大学化工学院,辽宁,大连116024【正文语种】中文【中图分类】O647Abstract： The interface free energy of a local condensate from the growth and combination of numerous initial condensation nuclei was calculated during its shape changes from an early flat shape to a Wenzel or Cassie state on the super-hydrophobic surface(SHS).The final state of the condensed drop was determined according to whether the interface free energy continuously decreased or it had a minimum value.Our calculations indicate that condensation drops on a surface only with micro roughness display Wenzel state because the interface free energy curve of a condensed drop first decreases and then increases,existing a minimum value corresponding to Wenzel drop.On a surface with appropriate hierarchical roughness,however,the interface energy curve of a condensed drop will constantly decline until it reaches the Cassie state.Therefore,a condensed drop on a hierarchical roughness surface can spontaneously reach the Cassie state.In addition,the states and apparent contact angles of condensed drops on a SHS with different structural parameters were calculated and compared with experimental observations.Results show that the calculated condensed drop states agree well with the experimental results.It can be concluded that micro and nano hierarchical roughness is the key structural factor responsible for sustaining condensed drops in the Cassie state on a SHS.Key Words： Super-hydrophobic surface; Micro and nano hierarchicalstructure; Surface; Interface; Free energy;Condensation滴状冷凝具有很高的传热系数,可比常见的膜状冷凝传热系数高几十倍.冷凝传热在石油化工和发电等工业生产中以及空调和制冷等过程中被大量采用,如果能在这些过程中均实现滴状冷凝,则必定会大大减少换热设备的面积与尺寸,降低能源消耗,从而带来显著的社会和经济效益.滴落在超疏水表面(SHS)上的液滴可以呈现表观接触角大于150°,且滚动角很小的Cassie形态.这很容易使我们联想到蒸气会在SHS上形成良好的滴状冷凝,即SHS 应该能成为实现滴状冷凝的理想表面.然而现有为数不多的SHS上冷凝实验结果却表明,在只有微米粗糙结构的表面上所形成的冷凝液滴往往失去超疏水性[1],液滴一般呈现Wenzel状态[2-5]或Wenzel 与Cassie的混合状态[6-7],滴状冷凝传热效果不理想[8-9].而当表面具有微纳米尺度二级结构或只有纳米粗糙结构时,冷凝液滴就能够呈现Cassie状态[10-12],并易于滚动脱落.冷凝液滴为什么只有在具有微纳二级结构或纳米粗糙结构的表面才能保持超疏水状态?冷凝过程中最初的微小液滴合并后经过怎样的演变过程最终形成稳定的冷凝液滴?冷凝液滴的最终状态与SHS的微纳粗糙结构参数的定量关系是什么?所有这些问题都尚未明确,需要从理论上进行分析.为此,本文从液滴界面能量计算入手,对冷凝液滴在其形态改变时的界面能量变化曲线进行计算,按液滴能量减小并直至达到极小值为判据,确定各种粗糙结构的SHS上冷凝液滴的最终稳定状态.在液滴表面自由能计算方面,已经有若干研究者针对滴落在SHS上尺度较大的液滴进行了研究,分析了液滴的表观接触角和接触角滞后[13-17]、液滴呈现的状态与转换及其能量势垒[13,18-20]、表面结构参数的影响[13-21]等问题.但所有这些研究均不是针对冷凝液滴进行的,而事实是冷凝液滴在SHS上的形态和行为与滴落的液滴行为差异很大,SHS上冷凝形成的液滴行为与其表面自由能的关系尚未见文献报道.具有微纳二级结构表面上液滴表观接触角的计算公式推导如下.以图1所示的长方体微纳米粗糙结构为例,首先定义以下参数,Cassie粗糙系数:式中f、fn分别是SHS微、纳米结构凸起肋固体所占的投影面积分率;r、rn分别是微、纳米结构实际面积与投影面积之比;l、ln分别为微、纳米结构凸起肋间空隙宽度;L、Ln分别为微、纳米结构凸起肋间距;H、Hn分别是微、纳米结构凸起肋高度.(1)Cassie或Cassie与Wenzel中间状态的液滴如图2(a)所示,具有微纳二级结构SHS上的液滴根部与微米凸起肋上部及部分侧面上的纳米尺度凸起固相相接触,其余部分均与气体接触.按照分析微米尺度上液滴界面能[13]相似的方法,在现在的微纳二级结构表面上选定不变投影面积Atotal,则Atotal内包括某个液滴的总界面能为式中Esurf是选定系统的总界面能,Eext为液滴上方外表面的气-液界面能,Ebase 是液滴底部所包括的各种界面能,而E(Atotal-Abase)是液滴以外的固-气界面能,其中液滴上方外表面的气液界面能为其中Aext是液滴上部的外表面积,σlg为气-液界面张力.液滴底部所包括的各种界面能为其中Abase是液滴底部的投影面积,σsl、σsg分别为固-液和固-气界面张力,h是液滴嵌入SHS微米结构凸起肋间的深度.液滴以外的固气界面能为整理以上各种界面能后可以得到总界面能为其中式中θn为液滴在纳米表面上的表观接触角,而θ0是其在光滑表面的本征接触角.式(5)可以整理成其中非润湿状态系数Ccomp为再将液滴外表面积和底面积表达成液滴体积V与表观接触角θ的关系:代入界面能表达式(6):对cosθ求导并取极值可以获得对应的液滴能量最小时的表观接触角为可见,只需将只有微米结构的Cassie或Cassie与Wenzel的中间状态方程中的θ0一项换成纳米表面的表观接触角θn,就成为微纳二级结构时的表观接触角方程. (2)Wenzel状态的液滴如图2(b)所示,液滴根部与全部微米尺度的肋表面接触,在纳米尺度上液体只与纳米凸起肋的上部固相相接触,而不能进入纳米凸起肋的内部,即液滴在纳米粗糙结构上永远呈Cassie状态.此时液滴底部所包括的各种界面能为或者:液滴上方外表面和液滴以外固气界面的界面能同上.于是,整理各种界面能后可以得到总界面能为其中润湿状态系数CWenzel为类似前面的分析,将液滴外表面积和底面积表达成液滴体积与接触角的关系并代入界面能表达式中,并对cosθ求导和取极值可以获得对应的液滴能量最小时的表观接触角为可见,只需将只有微米结构的Wenzel方程中的θ0一项换成纳米表面的表观接触角θn,就成为具有微纳二级结构时的Wenzel表观接触角方程.SHS上冷凝液滴的形成过程如图3所示.初始形成的纳米尺度微小液滴长大到液滴临界尺度后开始合并,众多小液滴合并的结果将在SHS部分区域填满微米结构的凹陷处,形成上部较为平缓的冷凝液滴斑[1-2].冷凝液的这种状态能量较高,将会自发的向Wenzel或Cassie状态变化.但是具体向哪种状态变化,需要根据液滴能量的计算进行判断,即液滴形态将向其能量减小的方向改变,并当液滴能量降低至极值时即为液滴的最终稳定状态.图3(d)所示的初期冷凝液斑向Wenzel和Cassie状态变化可以通过不断减小液滴底半径的方式进行,如果液滴底半径减小到某一数值时其能量到达极小值,这时液滴所呈现的Wenzel状态就是冷凝液滴的最终状态;如果在液滴半径减小的过程中其能量持续降低,直到Cassie状态,那么液滴的最终状态就是Cassie状态.初期冷凝液斑或Wenzel液滴向Cassie状态转变的另一途径是液滴底半径不变、但液滴根部离开超疏水微米结构的底部并向上移动.但是文献[20]及本文的计算结果均表明,液滴根部在离开表面底部时其能量会突然升高,形成能垒,不会自发地通过这种途径变成Cassie状态.因此本文以下主要计算了液滴底半径减小的过程中其能量的变化.不同状态时冷凝液滴能量的计算公式Cassie状态为式(6),Wenzel状态为式(14),冷凝液斑尚未填满微米凸起肋空间时:式中4/(L-l)的意义为微米凸起肋的周长与其截面积之比,只需将其它几何形状凸起肋的f、r、周长和截面积比等参数代入,就可以获得其它几何形状SHS液滴相关界面能的计算公式.SHS不同的微纳二级结构参数下冷凝液滴典型的能量变化曲线如图4所示(以液斑初始状态为基准计算自由能差).本文是针对初期冷凝液斑只占满80%微米肋沟的条件下做的计算,因此,在液滴底半径减小、液位上升的过程中其能量一开始在不断减小,但当液滴上表面漫过凸起肋上表面时,其能量会有不同程度的突然增加.然而,对于实际的冷凝过程,液斑并不需要克服这个能垒,因为冷凝在不断发生,即使初始液斑没有占满肋沟,也会由于冷凝液的不断形成而填满整个凸起肋.因此我们只需要考虑在液斑填满整个凸起肋高度以后液滴的形态和能量的变化.从图4可以看出,在冷凝液斑充满凸起肋以后,液滴的能量就开始不断下降,在很多参数条件下,液滴能量会在某一液滴底半径时不再下降,而在某些参数条件下,液滴能量会持续下降,直至底半径为0的Cassie状态.总体上看,SHS的微纳米结构对液滴能量有明显影响,微米凸起肋之间的距离越小,液滴能量变化越明显,液滴越容易形成Cassie状态;而随着纳米凸起肋间距的增大,液滴能量在减小,液滴也更容易转变成Cassie状态.其它结构参数和液滴体积时的冷凝液滴能量变化曲线规律类似.根据以上液滴在不同状态时的能量曲线,可以确定液滴最终的稳定状态:在液滴底半径减少的过程中如果其能量持续降低,或者能量曲线的斜率一直大于0,则该液滴最终呈Cassie状态;否则,在能量曲线的斜率出现0值时所对应的液滴为Wenzel状态.在确定了液滴的最终状态的同时,其接触角等参数也同时获得.按照以上方法,本文对具有不同微纳尺度结构参数的疏水表面上冷凝液滴的最终状态和相应的接触角进行了计算,结果分别如图5的(A1)-(A3)和(B1)-(B3)所示.可见,当ln为0或很小时,即疏水表面没有纳米二级结构时,冷凝液滴需要在较小的l/L或较大的H值条件下才能成为Cassie状态,并且这时的接触角均小于150°,因此液滴虽然呈Cassie状态,但并非属超疏水液滴.随着ln的增加,即疏水表面的纳米二级结构越来越明显时,冷凝液滴更容易呈Cassie状态,并且相应的接触角在不断增加.为了表达冷凝液滴呈Cassie并且为超疏水状态,本文又计算了能同时满足Cassie条件和接触角大于等于150°时所需的表面粗糙结构参数,如图5的(C1)-(C3)所示.因此,当表面具有明显的微纳二级粗糙结构时,冷凝液滴容易成为超疏水状态的Cassie 液滴.而当没有纳米结构时,只有当H很大、适宜的l/L取值范围之内的条件下,冷凝液滴才能呈现超疏水的Cassie状态.从图5还可以发现另一项有趣的计算结果,出现在l/L较大的情况下,此时无论表面是否具有纳米二级结构,冷凝液滴都呈现Wenzel状态,并且接触角较小,特别是在ln/Ln也较小的条件下,表观接触角可以小到低于本征接触角的程度.众所周知,在本征接触角大于90°的条件下,粗糙表面上Wenzel液滴的表观接触角按照Wenzel 方程不可能小于本征接触角,但是本计算却揭示冷凝所形成的液滴其最终状态有可能完全不符合Wenzel公式,这时的液滴接触角低于Wenzel方程所确定的数值.原因在于在冷凝液滴的尺度下(100 μm左右),超疏水微米粗糙结构内的水体积相对于整个液滴体积已经不可忽略,因此,Wenzel方程不再适用于尺度很小的冷凝液滴. 本文对文献报道的SHS上的冷凝液滴状态和接触角进行了计算并与实验结果进行比较,如表1所示.可见本文所计算的冷凝液滴形态与所有实验结果都吻合.首先仅有的三篇具有微纳二级结构或只有纳米结构的表面上的冷凝实验都表明[10-12],微纳米结构表面上冷凝形成的液滴能呈现易于滚落的Cassie液滴,而本计算也表明,表面具有适宜微纳米二级结构时,冷凝液滴易于形成接触角大于150°的Cassie状态.此外,文献[6-7]均观察到同一表面上可以形成Wenzel和Cassie两种液滴或混合型液滴.本计算结果表明在所观察的冷凝液滴尺度范围内,较小的液滴呈现Wenzel状态,而相对较大的液滴则可能呈现Cassie状态,于是表面上确有可能形成两种形态的液滴.对于文献[1-3]的表面结构参数,则对各种液滴体积其形态均为Wenzel状态,计算结果也与实测情况完全符合.关于接触角,有两篇文献的实测结果与计算结果不符合.其中文献[7]对于较大液滴(体积在μL)的实测接触角远低于本文的计算结果或Wenzel公式.在液滴尺度较大时,液滴根部在凸起肋间的液体体积可以忽略,此时液滴的接触角应该符合Wenzel 方程,并且当表面材料的本征接触角大于90°时,表观接触角不可能低于本征接触角.文献[7]给出的本征接触角为117.3°,但是其所测量的表观接触角都小于该数值,这是难以解释的.除非冷凝实验过程中表面上的疏水涂层被破坏,而该文献并没有说明冷凝实验后其表面的本征接触角是否改变.另一方面,文献[3]所报道的接触角都明显高于本计算值或Wenzel公式对应的接触角.经过仔细观察该文献的冷凝液滴照片,我们发现他们所形成的冷凝液滴底部半径都非常小,所覆盖的凸起肋个数只有几个,而且接触角大的液滴下部的凸起肋个数都是最多的,其实照片上也有很多接触角较小的液滴,只是他们没有测量而已.事实上,当液滴小到其下部只覆盖几个凸起肋时,液滴的接触角将对其所在的具体位置非常敏感,当液滴根部大部分位于凸起肋间时,接触角将会较小,而根部大部分位于凸起肋之上时,接触角将会较大.本文的计算模型只适用于液滴根部覆盖的凸起肋数目较多的情况.本计算没有考虑液滴变形过程中三相线经过微米尺度凸起肋时界面自由能的微小波动[14-17].Yamamoto等[14]的计算结果表明,该波动能量的数量级为10-10J或更低,而本文计算的液滴变化过程中的界面能数量级在10-8J.因此,三相线经过凸起肋引起的能量波动可以忽略不计,因为微小的震动能量或液滴变形的惯性就可以克服这个能量波动造成的微小能垒.而且当表面上有纳米二级粗糙结构以后,这种能量波动将会变得更小.此外,由于冷凝液滴的体积非常小,液滴的重力可以忽略不计,因此本计算也没有考虑液滴的重力势能.另外,本文的计算结果表明,具有适宜微纳二级粗糙结构的SHS上的冷凝液滴可以自发地从Wenzel状态变成Cassie状态.Zheng等[22]在原位观测荷叶上的冷凝液滴行为时发现,Wenzel态的冷凝液滴会从乳突根部向上迁移形成Cassie状态,他们把这种迁移归结为荷叶乳突表面存在“润湿梯度”,即乳突根部更不润湿,而乳突上部相对润湿,从而造成推动力.但是乳突表面的这种“润湿梯度”是否存在尚未被证明.本计算表明,荷叶上具有的微纳二级粗糙结构可以自发地使Wenzel状态的液滴向Cassie状态的液滴转变,并不需要这种“润湿梯度”带来的推动力.最后,本文就SHS上理想的滴状冷凝过程进行如下描述:初始冷凝液核在微米粗糙结构内到处都形成,液核长大后进行不断的合并直至冷凝液充满微米粗糙面的部分区域形成冷凝液斑,其体积一般在0.1-1.0 nL,液斑进而开始收缩底半径向Wenzel状态变化并变成Cassie状态液滴,最后Cassie状态液滴滚落脱离壁面.这个过程非常快,并且表面上有无数个这样的液滴形成和脱落,从而大大强化冷凝传热过程.文献[23]为了实现Cassie状态的冷凝液滴,采用控制凸起肋上端面较为润湿而凸起肋侧面和底面不润湿的策略,使得冷凝液滴只在凸起肋上部形成.但是这种方法只利用了粗糙表面的少部分面积,而没有充分利用所有的冷凝表面,因此冷凝传热速率将受到抑制.(1)在具有微纳二级尺度的SHS上,较大尺度液滴的表观接触角仍服从Cassie或Wenzel公式,只需将原来的本征接触角换成纳米结构表面上液滴的表观接触角. (2)SHS上初始冷凝的微小液滴在微尺度结构内部合并并充满微结构高度后,将沿着液滴底半径减小、液滴能量降低的方向变化,当液滴能量不再降低时就是液滴的最终稳定状态,可能是Wenzel也可以是Cassie状态,取决于表面的微纳米结构特征.(3)在只有微米尺度粗糙结构的表面上,冷凝液滴很难形成接触角高于150°的Cassie状态,只有当表面具有微纳米二级粗糙结构,且纳米结构的表面空气面积分率较高时,冷凝液滴才能成为超疏水状态.(4)SHS上的冷凝液滴由于尺度较小,Wenzel状态的液滴在其底部粗糙结构内的液体体积已经不可忽略,因此,Wenzel状态的冷凝液滴不再符合Wenzel方程. (5)表面的微纳米粗糙结构对于冷凝液滴的最终状态、接触角、滚动和脱落等均具有重要影响,需要适宜设计SHS的微纳米二级粗糙结构,才能实现理想的滴状冷凝过程.【相关文献】1 Wier,K.A.;McCarthy,ngmuir,2006,22(6):24332 Narhe,R.D.;Beysens,ngmuir,2007,23(12):64863 Jung,Y.C.;Bhushan,B.Journal of Microscopy,2008,229(1):1274 Narhe,R.D.;Beysens,D.A.Phys.Rev.Lett.,2004,93(7):0761035 Narhe,R.D.;Beysens,D.A.Europhys.Lett.,2006,75(1):986 Dorrer,C.;Ruhe,ngmuir,2007,23(7):38207 Chen,X.L.;Lu,T.Science in China Series G-Physics Mechanics andAstronomy,2009,52(2):2338 Song,Y.J.;Ren,X.G.;Ren,S.M.;Wang,H.Journal of Engineering Thermophysics,2007,28(1):95 [宋永吉,任晓光,任绍梅,王虹.工程热物理学报,2007,28(1):95]9 Chen,L.;Liang,S.Q.;Yan,R.S.;Cheng,Y.J.;Huai,X.L.;Chen,S.L.Journal of ThermalScience,2009,18(2):16010Chen,C.H.;Cai,Q.J.;Tsai,C.L.;Chen,C.L.;Xiong,G.Y.;Yu,Y.;Ren,Z.F.Appl.Phys.Lett.,2007,90(17):17 310811 Dorrer,C.;Ruhe,J.Advanced Materials,2008,20(1):15912Lau,K.K.S.;Bico,J.;Teo,K.B.K.;Chhowalla,M.;Amaratunga,G.A.J.;Milne,W.I.;McKinley,G.H.;Gleas on,K.K.Nano Letters,2003,3(12):170113 Barbieri,L.;Wagner,E.;Hoffmann,ngmuir,2007,23:172314 Yamamoto,K.;Ogata,S.Journal of Colloid and Interface Science,2008,326(2):47115 Li,W.;Amirfazli,A.Journal of Colloid and Interface Science,2005,292(1):19516 Li,W.;Amirfazli,A.Advances in Colloid and Interface Science,2007,132(2):5117 Li,W.;Cui,X.S.;Fang,ngmuir,2010,26(5):319418 Carbone,G.;Mangialardi,L.The European Physical Journal E,2005,16(1):6719 Werner,O.;Wagberg,L.;Lindstrom,ngmuir,2005,21(26):1223520 Patankar,ngmuir,2004,20(17):709721 Patankar,ngmuir,2004,20(19):820922 Zheng,Y.M.;Han,D.;Zhai,J.;Jiang,L.Appl.Phys.Lett.,2007,92(8):08410623 Varanasi,K.K.;Hsu,M.;Bhate,N.;Yang,W.S.;Deng,T.Appl.Phys.Lett.,2009,95(9):094101。