阃防科技 2015年第5期(总第294期) 方式依然是人工除冰,这种除冰方式消耗大量人 纳表面粗糙结构的模板,在其表面旋涂PDMS 力并且效率低下。超疏水表面防水性质可以提升材料固化剥离后获得柔性超疏水表面,因为通常 舰艇表面的抗结冰的性质闪,对低纬度寒区航行的使用金属或硅片作为压印模板,可以多次重复使 舰艇有重要意义。 用降低超疏水表面制备的成本。同时模板也可以 超疏水表面军事应用研究在国外已经展开,使用天然存在的非生物粗糙表面样品,例如以天 美国海军与空军对超疏水表面进行研发与装备。然多孔的氧化铝为模板挤压获得超疏水的聚丙烯 美国海军已经宣布将开始为水面舰艇披上一层由腈或聚乙烯醇纤维表面 防水材料制成的保护外衣,这种外衣将保护舰上 (二)化学合成法 的传感器、武器系统以及其他暴露在外的装备以 化学合成法是对采用化学方式直接获得表面 防被盐雾锈蚀侵害,同时可以节约因遭受腐蚀而粗糙结构的所有方法的概括,包括溶胶-凝胶法 进行维护消耗的时间与金钱。目前美国海军麦克自组装法、化学沉积法、交替沉积等制备方法。化 福尔号驱逐舰已经使用了这种防水外衣,并且计学合成法是一种至下而上的表面微纳结构制备方 划投资620亿采购80套实现每舰一套。同样作为法,其特点是采用特定的工艺设备让材料本身自 美国空军实验室管理的小企业技术转移的一部发形成特定的仿生粗糙微结构,通常化学合成法 分,海贝公司计划开发超疏水涂层,防止飞机腐蚀制备的粗糙结构需要低表面能有机物的修饰进 同时减少机翼表面冰集结的问题。 步增强疏水效果。溶胶-凝胶法是一种两步制备的 方式,溶胶通常是在溶剂中水解相应的氧化物来 三、制备超疏水表面 制备,在嶽胶形成过程中,大量的溶剂会填充在网 格中形成果冻状从而形成粗糙结构,例如在二氧 随着以荷叶效应为代表的自然界超疏水表面化硅溶胶中加入二氧化硅纳米颗粒。自组装法是 发现,人们逐渐认识到低表面能材料与微纳表面利用材料本身的特性形成表面粗糙结构,例如可 粗糙结构是超疏水性质形成的主要原因,同时人以利用自组装的方式将二甲基氯化铵与硅酸钠的 工制备仿生超疏水表面以实现特定的应用价值成多层薄膜沉积在涂有二氧化硅粒子的基底上。化 为该领域研究的热点。目前已知的超疏水表面制学沉积法类似于自组装法,利用化学反应本身的 备方式很多,根据其自身性质的不同主要可以区特性形成表面粗糙结构,根据沉积方法的不同分 分为以下3大类,即:模板法、至下而上( Bottom-为化学气相沉积法与电化学沉积法,例如可以利 u)的化学合成法与至上而下(Top-down)的物理化学气相沉积的方法在硅表面沉积氨丙基三甲 刻蚀法。 氧基硅烷形成氨基功能化表面,再以不同链长的 (一)模板法 脂肪酸修饰甚至可以调节表面湿润性。交替沉积 模板法制备超疏水表面是指先获得特定微纳法采用酸或电解等方式处理性质不同多层膜获得 结构作为母版,再通过压印剥离的方式获得母版粗糙结构,例如交替沉积的聚烯丙基氨盐(聚阳离 相反结构的样品,实现表面微纳粗糙结构制备的)与聚烯内酸(聚阴离子)多层膜在酸处理后会 方法。首先,采用模板法可以直接克隆自然界已经自然产生蜂窝多孔粗糙结构。化学合成法种类繁 存在的超疏水表面,获得与自然界完全相同微纳多,通常采用先获得粗糙结构再低表面能物质修 表面结构的表面,这是超疏水表面研究的重要制饰的方法,这是一种针对性很强的方法。 备方法。早期人们采用模板法通过两次PDMS压 (三)物理刻蚀法 印成型的方式获得了与荷叶表面具有相同微纳结 物理刻蚀法采用物理方式对固体表面进行微 构的环氧聚合物超疏水表面,研究了超疏水性质加工实现特定的表面微结构,是一种至上而下的 对环氧聚合物作为防腐蚀涂料性能的改善。其超疏水表面制备方法。物理刻蚀的方法工艺简单 次,制备可重复压印使用的模板可以减少直接微成熟,起步很早,早期物理刻蚀法主要是采用十法 纳加工的次数降低表面微结构制备的成本,是 或湿法刻蚀硅片获得周期性阵列的方式及超疏水 种低成本大规模制备超疏水表面的方法,在未来结构,但是成本高效率低的缺点限制了该方法的 的实际应用中具有重要意义。通常采用超精加工发展,近期物理刻蚀法发展迅速甚至获得金属超 或微纳加工工艺获得基于传统坚固材料具备一定疏水表面以及将完全亲水材料表面超疏水化的重同 防科 技 2015年 第 5期 (总第 294期 ) 方 式依 然是 人 工 除冰 ，这 种 除冰 方式 消 耗大 量 人 力并 且 效率 低 下 。超疏 水 表面 防水 性 质 可 以提 升 舰艇 表 面 的抗 结冰 的性 质_5j．对 低 纬度 寒 区航 行 的 舰艇 有 重要 意义 超 疏 水 表 面 军 事应 用 研 究 在 国外 已经 展 开 。 美 国 海 军 与空 军 对 超 疏水 表 面进 行 研 发 与 装 备 。 美 国海 军 已经 宣布将 开 始 为水 面舰 艇 披上 一 层 由 防水 材料 制 成 的保护 外 衣 ，这 种外 衣 将保 护 舰 上 的传感器 、武器系统 以及其他暴露在外的装备以 防被 盐雾 锈 蚀侵 害 ，同时可 以节约 因遭受 腐 蚀 而 进 行 维 护消耗 的时 间与金 钱 。 目前 美 国海 军 麦克 福 尔 号驱 逐舰 已经使 用 了这 种 防水 外衣 ．并 且 计 划 投 资 620亿采 购 80套实 现每 舰一 套 。同样 作 为 美 国 空 军 实 验 室 管 理 的 小 企 业 技 术 转 移 的 一 部 分 ，海 贝公 司 计划 开发 超 疏水 涂层 ，防止 飞 机腐 蚀 同时减 少机 翼表 面冰 集结 的 问题 。 三、制备超 疏水 表面 随着 以荷 叶效 应 为代 表 的 自然 界超 疏 水 表面 发 现 ．人们 逐 渐认 识 到低 表 面能 材 料 与微 纳表 面 粗糙 结 构是 超 疏水 性质 形 成 的主 要原 因 ．同时 人 工 制备 仿生 超 疏水 表 面 以实现 特 定 的应 用价 值 成 为该 领 域研 究 的热 点 。 目前 已知 的超 疏 水表 面制 备 方式 很多 ，根据 其 自身性 质 的不 同主 要可 以 区 分 为 以下 3大 类 ．即 ：模 板 法 、至下 而 上 (Bottom— up)的化 学 合 成 法 与 至 上 而下 (Top—down)的 物 理 刻蚀 法 。 (一 )模 板法 模板 法 制备 超疏 水 表 面是 指 先获 得 特定 微 纳 结 构作 为母 版 ，再 通过 压 印剥 离 的方 式 获得 母 版 相反 结构 的 样 品 ．实 现 表 面微 纳粗 糙 结构 制 备 的 方法 。首先 ，采用 模板 法 可 以直接克 隆 自然界 已经 存 在 的超 疏 水表 面 ．获 得 与 自然界 完 全相 同微 纳 表 面结构 的表 面 ．这 是 超疏 水 表 面研 究 的重 要 制 备方 法 。早 期人 们 采用 模 板 法通 过 两次 PDMS压 印成 型 的方 式获 得 了与 荷 叶表 面具 有 相 同微 纳结 构 的环氧 聚 合物 超疏 水 表 面 ，研 究 了超疏 水 性 质 对环氧聚合物作为防腐蚀涂料性能 的改善 l4I。其 次，制备可重复压印使用的模板可 以减少直接微 纳加 工 的次 数 降低表 面 微结 构 制备 的成本 ，是一 种 低 成本 大 规模 制备 超疏 水 表 面 的方法 ．在 未来 的实 际应 用 中具 有重 要 意义 。通 常 采用 超 精 加工 或 微 纳加 工工 艺 获得 基 于传统 坚 固材料 具 备一 定 微 纳 表 面粗 糙 结 构 的模 板 ．在 其 表 面 旋 涂 PDMS 材 料 固化 剥离 后获 得 柔性 超 疏水 表面 ．因为 通 常 使 用 金属 或硅 片作 为 压 印模 板 ，可 以多次 重 复 使 用 降低 超疏 水 表 面制 备 的成 本 。 同时模 板 也 可 以 使 用天 然存 在 的非 生 物粗 糙 表 面样 品 ，例 如 以天 然 多孔 的 氧化 铝为 模 板挤 压 获得 超 疏水 的聚 丙烯 腈 或聚 乙烯 醇纤 维表 面 (二 )化 学合成 法 化 学合 成法 是 对采 用 化 学方 式 直接 获 得 表 面 粗 糙结 构 的所 有方 法 的概 括 ，包括 溶 胶一凝 胶 法 、 自组 装法 、化 学沉 积法 、交 替沉 积等 制备 方法 。化 学合 成法 是 一种 至下 而 上 的表 面 微 纳结 构 制备 方 法 ，其特 点 是采 用特 定 的工艺 设 备让 材 料 本 身 自 发形 成特 定 的仿 生粗 糙 微结 构 ，通 常化 学 合成 法 制备 的粗 糙 结构 需要 低 表 面能 有 机物 的修 饰进 一 步增 强疏 水效 果 。溶胶 一凝胶 法是 一种 两步 制备 的 方式 ，溶 胶 通常 是在 溶 剂 中水 解 相应 的氧 化物 来 制备 ，在凝 胶 形 成过 程 中 ，大量 的 溶 剂会 填 充在 网 格 中形成 果 冻状 从 而形 成粗 糙 结 构 ，例 如 在二 氧 化硅 溶胶 中加入 二 氧化 硅 纳米 颗 粒 。 自组 装法 是 利用 材料 本 身 的特性 形 成 表 面粗 糙结 构 ，例 如可 以利 用 自组装 的方式 将 二 甲基 氯化 铵 与 硅 酸钠 的 多层 薄膜 沉 积在涂 有 二 氧化 硅 粒 子 的基底 上 。化 学 沉 积法 类似 于 自组 装 法 ．利 用化 学 反应 本 身 的 特 性形 成 表 面粗糙 结 构 ，根 据 沉 积方 法 的 不 同分 为化 学气 相沉 积 法与 电化学 沉 积法 ．例 如 可 以利 用 化 学气 相沉 积 的方 法在 硅 表 面沉 积 氨丙 基 j 甲 氧基硅 烷 形成 氨 基功 能化 表 面 ，再 以不 同链 长 的 脂 肪 酸修 饰甚 至 可 以调 节表 面 湿 润性 。交替 沉 积 法 采用 酸 或 电解 等方 式 处理 性 质不 同多层 膜 获 得 粗 糙结 构 ，例 如交 替 沉积 的 聚烯 丙 基氨 盐 (聚 阳离 子 )与 聚烯 丙 酸 (聚 阴 离子 )多 层 膜 在 酸 处 理后 会 自然产 生蜂 窝 多孑L粗糙 结 构 。 化学 合 成法 种 类 繁 多 ，通 常 采用 先获 得粗 糙 结 构再 低 表 面能 物 质修 饰 的方法 ．这 是一 种针 对性 很 强 的方法 。 (三 )物 理刻蚀 法 物 理刻 蚀法 采 用 物理 方 式对 固体 表 面进 行 微 加 工实 现 特定 的表 面微 结 构 ，是 一 种 至上 而 下 的 超疏 水 表 面制备 方 法 。物 理刻 蚀 的方法 ]二艺 简单 成熟 ．起 步 很早 ，早 期物 理 刻蚀 法 主要 是 采 用 十法 或 湿法 刻蚀 硅 片获 得周 期 性 阵列 的方式 及 超 疏 水 结 构 ，但 是 成本 高 效率 低 的缺 点 限 制 了该 方 法 的 发展 ，近期 物理 刻 蚀法 发展 迅 速 甚 至获 得 金属 超 疏水 表 面 以及将 完 全 亲水材 料 表 面超 疏 水 化 的重