第36卷第5期 防科技 Vol 36. No5 015年10月 NATIONAL DEFENSE SciencE TECHNOLOGY 0ct2015 仿生超疏水表面技术及其军事应用 余斌,吴学忠,肖定邦 (国防科学技术大学机电工程与自动化学院,湖南长沙410073) [摘要]浸润性是国体重要的表面性质,不浸润的固体表面称之为疏水表面。超疏水表面在自清洁、抗结冰、防 氧化、抗腐蚀、减阻等领域具有潜在的应用价值。针对分析超疏水教面特殊性质,阐逑了超疏水教面制备方法,重点分 析了超疏水表面的军事应用价值。研究表明,目前超疏水袤面发展依然处于科学实验过程中,未来有望在军事装备与 国民经济领域广泛应用。 关键词]超疏水;表面微结构;静态接触角 [中图分类号]C948.8[文献标识码]A[文章编号]671-4547(2015)05-0042-04 Do:10.13943/jisn1671-4547.201505.09 浸润性是固体表面的基本性质,根据水滴在性质形成的主要原因。同时模仿荷叶构造表面超 固体表面静态接触角( Static ContactAngle)的大小疏水微纳结构与增加低表面能涂层是人工制备超 可以将固体浸润性分成三类:静态接触角小于90°疏水表面的主要方法。 的亲水表面( Hydrophilic),静态接触角大于90小 于150°的疏水表面( Hydrophobic)以及静态接触 一、超疏水表面特殊性质 角大于150的超疏水表面( Superdrophobic)。单 静态接触角并不能完全描述固体表面的浸润性还 超疏水表面研究是生物、物理、材料等学科交 需要考虑动态过程,采用滚动角度( Slip Angle)叉的新兴仿生研究领域。表面粗糙结构是超疏水 或接触角回滞( Contact Angle Hysteresis)描述。性质形成原因, Wenzel与 Cassie- Baxter模型分别 通常以荷叶为代表静态接触角大于150°并且接触描述了水滴是否渗入表面微结构时粗糙度对疏水 角小于10°超疏水表面称之为荷叶效应( Lotus性质的影响。两类超疏水表面可以具有较大的静 Effect),对应的叶玫瑰花瓣为代表静态接触角大态接触角却可以表现出完全不同的性质,不同的 于150且无法在倾斜表面滚动的超疏水表面称之是水滴在固体表面如果处于 Wenzel态则会表面 为花瓣效应( Petal-fect),其中荷叶效应是超疏出较大粘附力,而水滴在固体表面如果处于 水机制理论与制备工艺研究的核 Cassie- Baxter态则同时具备较小的滚动角。处于 自然界动植物表面存在大量超疏水表面例如 Cassie- Baxter态的超疏水表面称之为稳定超疏水 荷叶、水稻叶、水黾腿、孔雀羽毛、壁虎脚掌、蝉翼、表面(荷叶效应),目前对超疏水现象的研究的目 蝴蝶翅膀与蚊子复眼等。超疏水表面作为一种自的是制备具有稳定超疏水性的仿生表面。 然现象,直到仿生学与电子显微镜的发展首先揭 (一)防水性 示了荷叶等自然界动植物超疏水表面形成的机制 如果固体表面是稳定超疏水表面,则水滴在 叫,才揭开神秘面纱进入人们的视野。作为超疏水该表面上的静态接触角大于150同时滚动角小于 表面的典型代表,荷叶表面特殊的二阶微纳“乳10。较大的静态接触角意味着水滴在固体表面上 凸”结构以及低表面能的表层蜡质材料是超疏水的接触面积相对缩小,较小的滚动角意味着只要 [收稿日期]2015-08-08 「作者简介余斌,男,讲师,博士,研究方向:微机电系统与微纳器件第 36卷第 5期 2015年 10月 国 防 科 技 NATIONALDEFENSESCIENCE& TECHNOLOGY Vo1．36．No．5 0ct．2015 仿生超疏水表面技术及其军事应用 余 斌 ，吴学忠 ，肖定邦 (国 防科 学技 术 大 学 机 电S-程 与 自动 化 学 院 ，湖 南 长 沙 410073) 【摘 要】 浸润性是 固体 重要 的表 面性质 ，不浸 润的固体表面称之为疏水表 面。超疏水表面在 自清洁、抗结冰 、防 氧化、抗腐蚀 、减 阻等领域具有潜在 的应用价值 。针对分析超疏水表面特 殊性 质，阐述 了超疏水表 面制备 方法．重点分 析 了超疏水表 面的军事应用价值 。研 究表 明，目前超疏水表 面发展依然 处于科学 实验过程 中，未来有望在军事装备与 国 民 经 济领 域 广 泛 应 用 【关键词】 超疏水 ；表面微结构 ；静 态接触角 【中图分 类号]G948．8 【文献标 识码】A 【文章编号]1671—4547(2015)05—0042—04 D0l：lO．13943／i．issn1671-4547．2015．05．09 浸润 性是 固体 表 面 的基 本 性质 。根据 水 滴在 固 体 表 面 静 态 接 触 角 (StaticContactAngle)的大 小 可 以将 固体浸 润 性 分成 三类 ：静态 接触 角 小 于 9O。 的亲 水 表 面 (Hydrophilie)，静态 接 触 角 大于 9O。小 于 150。的疏 水 表 面 (Hydrophobic)以及 静 态 接 触 角大 于 150。的超疏水 表 面 (Superdrophobic)。单一 静 态接 触 角并 不 能完 全描 述 固体 表 面 的浸 润性 还 需 要 考 虑 动 态 过 程 ，采 用 滚 动 角 度 (Slip Angle) 或 接 触 角 回滞 (Contact Angle Hysteresis)描述 。 通 常 以荷 叶为代 表静 态接 触角 大 于 150。并 且 接触 角 小 于 lO。超 疏 水 表 面 称 之 为 荷 叶 效 应 (Lotus Effect)，对 应 的叶 玫瑰 花 瓣 为代 表 静 态 接触 角 大 于 150。且无 法在 倾斜 表 面滚动 的超 疏水 表 面称 之 为 花瓣 效 应 (Petal Effect)．其 中荷 叶效 应 是 超 疏 水 机制 理论 与制 备工 艺研究 的核心 。 自然界 动植 物 表 面存 在 大量 超疏 水 表 面例 如 荷 叶 、水 稻 叶 、水 黾腿 、孑L雀 羽 毛 、壁 虎 脚 掌 、蝉翼 、 蝴蝶 翅 膀 与蚊子 复 眼等 。超 疏 水 表面 作 为一 种 自 然现 象 ，直 到仿 生 学与 电子 显 微镜 的发 展首 先 揭 示 了荷 叶等 自然 界 动植 物超 疏 水 表面 形成 的机 制 [1】 ， 才揭 开神 秘 面纱 进人 人们 的视野 。作 为超 疏水 表 面 的典型 代表 ．荷 叶表 面特 殊 的二 阶微 纳 “乳 凸 ”结 构 以及低 表 面能 的表 层 蜡质 材 料 是超 疏水 性 质形 成 的主要 原 因。 同时 模仿 荷 叶 构造 表 面超 疏水 微 纳结 构 与增 加低 表 面 能涂 层 是 人工 制 备超 疏水 表 面 的主要方 法 。 一 、 超疏水表面特 殊性质 超疏 水 表面 研究 是 生 物 、物理 、材料 等 学科 交 叉 的新 兴仿 生研 究 领域 。表 面粗 糙结 构 是 超疏 水 性 质形 成原 因 ，Wenzel与 Cassie—Baxter模 型 分 别 描述 了水 滴 是否 渗入 表 面 微结 构 时粗 糙 度对 疏 水 性 质 的影 响闭。两类 超疏 水表 面可 以具 有较 大 的静 态接 触角 却 可 以表现 出完 全不 同的性 质 ，不 同的 是 水 滴 在 固体 表 面 如 果 处 于 Wenzel态则 会 表 面 出 较 大 粘 附 力 。而 水 滴 在 固 体 表 面 如 果 处 于 Cassie—Baxter态则 同时 具 备较 小 的滚 动 角 。处 于 Cassie—Baxter态 的超 疏 水 表 面称 之 为 稳定 超 疏 水 表 面 (荷 叶效 应 )．目前 对 超 疏 水 现 象 的 研 究 的 目 的是制 备具 有稳 定超 疏水 性 的仿 生表 面 。 (一 )防水性 如 果 固体 表 面是稳 定 超 疏水 表 面 ，则 水 滴 在 该表 面上 的静 态 接触 角大 于 150。同 时滚 动角 小 于 100。较 大 的静态 接触 角意 味着 水滴 在 固体 表 面上 的接 触 面积 相 对缩 小 。较 小 的滚 动 角 意味 着 只要 【收稿 日期】 2015—08—08 [作者简介】 余斌 ，男 ，讲师 ，博士 ，研究方 向：微 机电系统 与微纳器件