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user: 4. 超疏水表面的应用 超疏水表面因为其特殊的湿润性和较低的表面能，同样可以让材料拥有耐腐蚀、自清洁、高耐久性、防覆冰等性能，能够在日常、工业、航天、军事、科研等多领域有着很高的应用前景，这也使得超疏水表面成为近年来研究热潮之一。 4.1. 自清洁性能 自清洁性能是因为超疏水表面对水滴有高的接触角和低的滚动角，水滴在表面呈球状且易滚动，同时在滚动过程中带走表面污染物，起到清洁作用。 超疏水表面的自清洁原理是基于“荷叶效应”。20世纪90年代，德国植物学家柏林大学Barthlott等 [ 2 ] 揭示了荷叶表面的结构，发现荷叶的“自洁性”源于其表面的微纳结构，荷叶表面具有微米级的乳突，乳突上有纳米级的蜡晶物质，这种微一纳米级的粗糙结构可以大幅度提高水滴在其上的接触角，导致水滴极易滚落。水滴在超疏水表面上的运动是一个复杂的物理现象，在自清洁过程中起到了一个至关重要的作用，水滴在表面滚动时会带走表面的污染物或灰尘，从而达到自清洁的效果。近年来，更多的学者经过探究与改善，制备了不同程度的自清洁性超疏水表面，横向扩展了自清洁性表面的制备和应用，见表2。 Table 2 Research status of self-cleaning hydrophobic surfac 研究人员 制备方法 实验结果 Li [ 25 ] 等 采用电沉积和激光刻蚀的方法对AZ31镁合金 进行表面改性。 最后，得到了一个接触角为156˚的超疏水表面。 氧化铝粉末作为污染物洒在表面。当水落到合金表面时， 水滴会迅速带走表面的粉末。 Feng [ 26 ] 等 设计和制造了具有微柱结构表面的三种形状。 通过皮秒激光的激光刻蚀法， 用铝合金来制造柱状结构的表面。 研究发现，表面的水滴能迅速呈现球形， 并迅速向下滚动，带走表面的污染物。 Wang [ 27 ] 等 用特制的CaCO 3 溶液与聚乙烯溶液混合涂覆于 玻璃表面构筑出超疏水涂层 结果测得接触角155˚，并具有良好的防尘性能。通过实验 发现当黑烟粉粘附在表面时，很容易被水滴带走。 Woo Kyung Cho [ 28 ] 等 有机硅首先被水解， 然后由表面特性低的氟硅酮进行修饰。 实验结果得出涂层表面液珠的接触角 > 160˚，滞后角在24˚左右。分析得出这里的粗糙度主要是由于氟离子的影响。 表2. 自清洁特性疏水表面研究现状 4.2. 耐久性能 超疏水表面上的微纳米粗糙结构通常比较脆弱，容易因加工和使用过程中的冲击、摩擦等机械作用而损坏，是制约超疏水材料推广应用的首要问题。为了使超疏水表面能够真正应用到实际生产与生活中，越来越多的研究者开始了改善超疏水表面机械稳定性的研究，见表3。 超疏水表面的性能主要由超疏水性的表面微结构决定。因此，在长时间的户外使用中，随着户外使用时间的延长，许多超疏水表面与水的接触角减小，并且疏水性大大降低。这主要是由于灰尘和有机污染物在空气中在固体表面上的吸附和积累。G. Yamauchi [ 29 ] 等发现，向超疏水性透明涂层中添加少量的TiO 2 粉末以改善超疏水性表面的耐久性，可以使涂层具有出色的自清洁性能，并使涂层能够长时间发挥作用，在户外使用时可以较长时间的保持超疏水性。 从目前的研究报告来看，制备具有普遍高机械强度的超疏水表面的研究工作仍处于探索阶段，且尚未有能力生产出具有高机械耐久性的完全符合工业用途的超疏水表面，并且尚未形成相对统一标准化的机械强度的测试方法。 电子科技大学的邓旭 [ 45 ] 通过去耦合机制使表面疏水功能和机械耐久功能从两个不同的微结构制备，分别对两种微结构进行优化设计，构筑出具有良好鲁棒性的微结构“铠甲”，从根本上突破了超疏水表面一直以来的耐久性不足问题。利用光刻、冷/热压等微加工技术能够在大部分材料表面进行“铠甲化”，复合制备出超疏水纳米材料，使材料具有优异鲁棒性的“铠甲化”超疏水表面，该研究成果也是鲁棒性超疏水表面进入大范实际应用进程的一大进步，但进行高机械强度的超疏水表面研究和微小结构设计仍是超疏水材料领域的探究重点。 4.3. 耐腐蚀性能 特殊湿润性表面的耐腐蚀性往往用来表达金属基底超疏水表面功能性好坏的一个关键因子。超疏水表面最突出特性就是防水、排斥液滴，所以这一特性就导致了能够有效阻拦腐蚀性离子，还有电子的转移，由此就可以大大降低对材料本身的腐蚀速度，所以耐腐蚀性能的提高也就是延长材料的使用期限。一般地，超疏水表面的耐腐蚀性常常建立在良好的疏水性和自清洁性上，因此其表面应具有较高的接触角及较低的滚动角，见表4。 4.4. 防覆冰性能 由于超疏水表面的特殊性湿润性，使得液滴和材料不容易贴合，实验液滴自然就具有了滚动性，由此也就具有防寒防霜防冰的作用，在工业领域中有很大的潜在应用。近些年来，学者构筑的超疏水性涂 Table 3 Research status of high-durability hydrophobic surfac 人物 实验内容 结果 德国Puretskiy N [ 30 ] 等 采用纳米二氧化硅SiO 2 颗粒固定在接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯的微米二氧化硅SiO 2 颗粒上，由此构筑了树莓状颗粒，之后把聚五氟苯乙烯固定在颗粒上，由此形成超疏水表面。 经过20 min的超声处理后，仍能保持其树莓型结构 德国Vollme [ 31 ] 等 将纳米级二氧化硅颗粒固定在接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯的微米二氧化硅颗粒上，形成树莓状颗粒，改成聚五氟苯乙烯固定在颗粒上，由此形成超疏水表面。利用化学气相沉积技术于二氧化硅的粒子表面成功构筑了硅氧键来增加它的机械稳定性能。 从30厘米的高度用l00到300 gm的沙粒冲击测试，对化学表面修饰后的样品进行检测，虽然经受多次冲击，然而表面仍可保持超疏水的性能 Ding [ 32 ] 等 利用喷砂法位于环氧树脂上构建出微米结构，之后采用简单的滴涂法使得纳米级二氧化硅与环氧黏合剂的混合溶液涂覆到该微米结构之上，最后涂覆上端氨基聚甲基硅氧烷改性的环氧黏合剂 通过速度为10 m/s的水流对化学修饰后超疏水表面进行冲刷两个小时后，该表面仍然保持超疏水的特性 Brown P S [ 33 ] 等 采用喷涂法位于特殊的微结构上喷涂环氧树脂和碳纳米管的混合物构筑出超疏水表面。 10 kPa压力的水流下测试冲刷耐久实验，一天之后，测得接触角仍然保持150˚以上。再者100次摩擦后，利用光学显微镜观察该表面几何形貌，测得对该超疏水表面的微纳米结构作用只有极小的磨损。 美国纽约大学XU Q F [ 34 ] 等 把钢丝网眼当做模板，利用模板挤压法成功构筑了 接触角为160˚的聚乙烯的微米级的柱状微小结构的 超疏水表面。 对实验后的样品使用线性磨耗仪，并且施加32 kPa的 压力，对超疏水表面进行5500次往复摩擦后， 测试其表面湿润性，仍然保持超疏水特性。 Chao X [ 35 ] 等 用电子辐射技术处理聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球／硅酯混合物的旋涂膜，使PMMA微球体积缩小，并使硅酯转变成碳氧化硅陶瓷纳米级突起，形成了微米级孔洞和附有纳米乳突的微球结构。 铅笔硬度实验测试后，仍具有良好疏水性 表3. 高耐久特性疏水表面研究现状 Table 4 Research status of corrosion resistance hydrophobic surfac 人物 制备方法 实验结果 陕西科技大学， 罗晓民 [ 36 ] 等 通过十八胺修饰材料表面，利用多壁 碳酸米管与有机硅改性后，将水性 聚氨酯相联结，采用喷涂法构筑了 具有特殊鸟巢形态的微小几何构造的 铜制超疏水表面。 该表面呈现出对于液滴呈现162˚的高接触角，和对油滴0˚的低接触角。并对石油醚–水，四氯化碳–水等多种有机物，水的混合液体进行高效分离。 兰州交通大学， 范伟博 [ 37 ] 等 应用硫酸刻蚀法，使用接枝疏水长链的方法构筑出超疏水镁合金基材表面。 实验中的硫酸处理为了于镁合金的表面构筑微/纳米二元复合特殊微结构。硬脂酸的长疏水性链利用化学链结合在镁合金的表面而大大减少了镁合金表面自由能。低表面能作用后测得最大152˚接触角，并具有不到10˚的滚动角的超疏水性表面。由此疏水化改性后，镁合金的自腐蚀电位提高，大大增强其耐腐蚀性。 表4. 耐腐蚀特性疏水表面研究现状 Table 5 Research status of anti-icing properties hydrophobic surfac 人物 制备方法 实验结果 Vijay Kumar [ 38 ] 等 基于零度锥面测试方法使用铝合金作为参考超疏水涂层的冰粘附减少因子。 发现在有机硅基疏水表面上的冰粘附强度和抛光铝合金相比低约43倍，表明这些涂层具有出色的防冰性能，表面粗糙度和表面能都对涂层的冰粘附强度起主要作用。 曾华荣 [ 39 ] 等 通过大气压下等离子体放电在玻璃材料表面制备超疏水表面，利用氩气为工作物质和射频电源为驱动构筑超疏水表面薄膜。 实验结果测得静态接触角约为171.4˚且滚动角SA < 2˚，通过显微镜 观察发现表面成功构筑微米级和纳米级双重粗糙结构，平均粗糙度为 200 nm，低温试验结果该表面表现出抑霜缓冻的良好特性。 表5. 防覆冰特性疏水表面研究现状 层的去冰去霜就通过超疏水材料表面的特性，有着低表面能并且具有一定的粗糙度，见表5，这样就可以使得交合的面积比大幅下降，由此使得结冰所需时间减小。它的根本原理就是把液体压制到最小，我们通过理论可知超疏水材料的接触角高，这样它的结冰时的热力学需要的能量多、活化率下降，液滴形成困难，由此使得液滴的温度下降慢，由此延缓起霜或冰冻的速率。