1基于“荷葉效應(yīng)”的超疏水表面的幾何設(shè)計課件

基于“荷葉效應(yīng)”的超疏水表面的幾何設(shè)計湘潭大學(xué)材料與光電物理學(xué)院李文1基于“荷葉效應(yīng)”的超疏水表面的幾何設(shè)計湘潭大學(xué)1自然界中荷葉出淤泥中而展現(xiàn)出具有不受污染，當水珠滴到荷葉表面不會攤平而是呈現(xiàn)球形珠狀且極易在葉面滾動，人們通常把它叫做“荷葉效應(yīng)”（Lotuseffect）。？？？2自然界中荷葉出淤泥中而展現(xiàn)出具有不受污染，當水珠滴到荷葉表面1999年，Barthlott和Neihuis認為：自清潔的特征是由于粗糙表面上的微米結(jié)構(gòu)的乳突以及表面蠟狀物的存在共同引起的。乳突的平均直徑為5~9um。荷葉表面出淤泥而不染的機理31999年，Barthlott和Neihuis認為：自清潔的2002年，江雷等提出微米結(jié)構(gòu)下面還存在納米結(jié)構(gòu)，二者相結(jié)合的階層結(jié)構(gòu)才是引起表面自清潔的根本原因。單個乳突由平均直徑為120nm結(jié)構(gòu)分支組成。荷葉表面的微/納米復(fù)合結(jié)構(gòu)42002年，江雷等提出微米結(jié)構(gòu)下面還存在納米結(jié)構(gòu)，二者相結(jié)合荷葉自清潔的特征表明荷葉這種結(jié)構(gòu)具有很強的超疏水性(Superhydrophobic)smoothsurfaceLotus-Effect?surfaceWithoutSelf-cleaningWithSelf-cleaning5荷葉自清潔的特征表明荷葉這種結(jié)構(gòu)具有很強的超疏水性(Supe超疏水性的表征量：靜態(tài)接觸角和滾動角滾動角：越小越好<10o靜態(tài)接觸角：

越大越好

>150o154.5°6超疏水性的表征量：靜態(tài)接觸角和滾動角滾動角：靜態(tài)接觸角：15獲得超疏水表面的途徑固體表面的潤濕性能由固體表面的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)共同決定：表面化學(xué)組成低表面自由能物質(zhì)如含硅、含氟可以得到疏水的效果?，F(xiàn)代研究表明，光滑固體表面接觸角最大為120o左右。表面幾何結(jié)構(gòu)具有微細粗糙結(jié)構(gòu)的表面可以有效的提高疏（親）水表面的疏（親）水性能。7獲得超疏水表面的途徑固體表面的潤濕性能由固體表面的化學(xué)組成和微細結(jié)構(gòu)表面的接觸角理論Wenzel’sTheory(1936年）：Cassic’sTheory（1944年）：r為實際面積/投影面積粗糙模型氣墊模型Wenzel模型Cassie模型fs為為與液體接觸的固體百分比8微細結(jié)構(gòu)表面的接觸角理論Wenzel’sTheory(19微細結(jié)構(gòu)超疏水熱力學(xué)理論模型的建立與分析三維柱狀結(jié)構(gòu)示意圖，其中a、b、h的單位為微米級x-z平面的微結(jié)構(gòu)表面截圖假設(shè)液滴的體積不變Wenael’sstate,i.e.,noncompositestateCassie’sstate,i.e.,compositestate9微細結(jié)構(gòu)超疏水熱力學(xué)理論模型的建立與分析三維柱狀結(jié)構(gòu)示意圖，自由能隨接觸角的變化存在穩(wěn)定態(tài)即能量最小點局部能量最小A(不穩(wěn)態(tài))和最大BorC(亞穩(wěn)態(tài))前進和后退自由能壘180o具有相同的能量態(tài)自由能壘隨接觸角滯后的變化前進角后退角接觸角滯后10自由能隨接觸角的變化自由能壘隨接觸角滯后的變化10（1）必須有較大的粗糙度與本征接觸角，保證液滴能處于穩(wěn)定的復(fù)合潤濕狀態(tài)。（2）要有較小的固體表面百分比

，即較細的粗糙結(jié)構(gòu)，才能達到較大的平衡接觸角。（3）首先要有較大的本征接觸角，保證復(fù)合潤濕態(tài)，然后應(yīng)有較小的固液比，得到較小的接觸角滯后。（4）較小的柱間距能保證液滴的復(fù)合態(tài)接觸，但是較大的柱間距可導(dǎo)致較大的平衡接觸角。所以需要綜合考慮柱間距與其它微結(jié)構(gòu)參數(shù)如柱高、柱寬的匹配，從而得到同時具備大接觸角與小接觸角滯后的超疏水表面。

通過對表面幾何參數(shù)、粗糙因子、固體百分數(shù)、本征接觸角的討論提出了微細結(jié)構(gòu)表面幾何設(shè)計的幾條準則11（1）必須有較大的粗糙度與本征接觸角，保證液滴能處于穩(wěn)定的復(fù)滿足微細結(jié)構(gòu)表面幾何設(shè)計的條件（1）為形成熱力學(xué)穩(wěn)定的復(fù)合接觸態(tài)，需要較大的相對柱高hr（=h/b）。（2）要得到較大的平衡接觸角，應(yīng)該設(shè)計較小的相對柱寬ar（=a/b）或液固接觸面比例（fs=a/(a+b)）。（3）要達到較小的接觸角滯后或滾動角，需要較大的本征接觸角及較小的相對柱寬ar。（4）上述三個條件可保證良好的超疏水效果，但要保證表面微結(jié)構(gòu)的耐久性，也就是較好的機械性能，還需要較大的材料粗糙比mr（a/h）。

12滿足微細結(jié)構(gòu)表面幾何設(shè)計的條件（1）為形成熱力學(xué)穩(wěn)定的復(fù)合接根據(jù)微細結(jié)構(gòu)表面幾何設(shè)計條件對不同微細具體結(jié)構(gòu)表面的分析FIG.1FIG.1具有較大的相對柱高（hr=h1/b1=1）；提供復(fù)合態(tài)較大的材料粗糙比（mr=a1/h1=1）；好的機械耐久性而有較大的相對柱寬（ar=a1/b1=1）；不能提供較大的平衡接觸角a1=b1=h1=1m13根據(jù)微細結(jié)構(gòu)表面幾何設(shè)計條件對不同微細具體結(jié)構(gòu)表面的分析FIFIG.2FIG.2較大的相對柱高（對于大的柱間距，hr=h1/b1=1；對于小的柱間距，hr=h1/b2=1000）；保證復(fù)合潤濕態(tài)較小的相對柱寬（ar=500a2/(500b2+b1)=0.33）；較大平衡接觸角較小的材料粗糙比（mr=a2/h1=0.001）；不能提供好的機械耐久性

a1=b1=h1=1ma2=b2=h2=1nm14FIG.2FIG.2a1=b1=h1=1m14FIG.3較大的相對柱高（hr=h1/b2=1000）；保證復(fù)合潤濕態(tài)較大的相對柱寬（ar=a2/b2=1）；不能提供較大的平衡接觸角較小的材料粗糙比（mr=a2/h1=0.001）；好的機械耐久性

FIG.3FIG.4FIG.4較大的相對柱高（hr=h1/b1=1）；保證復(fù)合潤濕態(tài)較小的相對柱寬（ar=a2/b1=0.001）；較大的平衡接觸角較小的材料粗糙比（mr=a2/h1=0.001）；但不能提供好的機械耐久性。15FIG.3FIG.3FIG.4FIG.415FIG.5FIG.6FIG.7FIG.5能提供較大的平衡接觸角和好的機械耐久性，但不能提供復(fù)合潤濕態(tài)。FIG.6能夠提供穩(wěn)定的復(fù)合態(tài)和好的機械耐久性，但不能提供較大的平衡接觸角。FIG.7能提供較大的平衡接觸角和好的機械耐久性，但不能提供復(fù)合潤濕態(tài)

16FIG.5FIG.6FIG.7FIG.5能提供較大的平衡接觸FIG.8微納分形結(jié)構(gòu)FIG.8有較小的相對柱寬ar（500a2/（500b2+b1）=0.33）；較大的相對柱高hr（h1/b1=1和h2/b2=1分別對應(yīng)于微、納結(jié)構(gòu)表面），意味著能保證穩(wěn)定的復(fù)合潤濕態(tài)和大的平衡接觸角；較大的材料粗糙比mr（a1/h1=1和

a2/h2=1分別對應(yīng)于微、納結(jié)構(gòu)表面）；因而這種結(jié)構(gòu)不但可以保證較好的復(fù)合潤濕態(tài)、大的接觸角和小的接觸角滯后，而且還有很好的機械持久性能。

17FIG.8FIG.817總結(jié)具有微納米結(jié)構(gòu)的分形結(jié)構(gòu)具有很好的超疏水性能和較好的機械持久性；值得注意的是對于足夠小的液滴當然液滴的尺寸遠遠大于粗糙尺寸，如果不考慮FIG5的機械持久性，F(xiàn)IG5和FIG8二種結(jié)構(gòu)將具有相同的超疏水性能。18總結(jié)具有微納米結(jié)構(gòu)的分形結(jié)構(gòu)具有很好的超疏水性能和較好的機械謝謝1919基于“荷葉效應(yīng)”的超疏水表面的幾何設(shè)計湘潭大學(xué)材料與光電物理學(xué)院李文20基于“荷葉效應(yīng)”的超疏水表面的幾何設(shè)計湘潭大學(xué)1自然界中荷葉出淤泥中而展現(xiàn)出具有不受污染，當水珠滴到荷葉表面不會攤平而是呈現(xiàn)球形珠狀且極易在葉面滾動，人們通常把它叫做“荷葉效應(yīng)”（Lotuseffect）。？？？21自然界中荷葉出淤泥中而展現(xiàn)出具有不受污染，當水珠滴到荷葉表面1999年，Barthlott和Neihuis認為：自清潔的特征是由于粗糙表面上的微米結(jié)構(gòu)的乳突以及表面蠟狀物的存在共同引起的。乳突的平均直徑為5~9um。荷葉表面出淤泥而不染的機理221999年，Barthlott和Neihuis認為：自清潔的2002年，江雷等提出微米結(jié)構(gòu)下面還存在納米結(jié)構(gòu)，二者相結(jié)合的階層結(jié)構(gòu)才是引起表面自清潔的根本原因。單個乳突由平均直徑為120nm結(jié)構(gòu)分支組成。荷葉表面的微/納米復(fù)合結(jié)構(gòu)232002年，江雷等提出微米結(jié)構(gòu)下面還存在納米結(jié)構(gòu)，二者相結(jié)合荷葉自清潔的特征表明荷葉這種結(jié)構(gòu)具有很強的超疏水性(Superhydrophobic)smoothsurfaceLotus-Effect?surfaceWithoutSelf-cleaningWithSelf-cleaning24荷葉自清潔的特征表明荷葉這種結(jié)構(gòu)具有很強的超疏水性(Supe超疏水性的表征量：靜態(tài)接觸角和滾動角滾動角：越小越好<10o靜態(tài)接觸角：

越大越好

>150o154.5°25超疏水性的表征量：靜態(tài)接觸角和滾動角滾動角：靜態(tài)接觸角：15獲得超疏水表面的途徑固體表面的潤濕性能由固體表面的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)共同決定：表面化學(xué)組成低表面自由能物質(zhì)如含硅、含氟可以得到疏水的效果。現(xiàn)代研究表明，光滑固體表面接觸角最大為120o左右。表面幾何結(jié)構(gòu)具有微細粗糙結(jié)構(gòu)的表面可以有效的提高疏（親）水表面的疏（親）水性能。26獲得超疏水表面的途徑固體表面的潤濕性能由固體表面的化學(xué)組成和微細結(jié)構(gòu)表面的接觸角理論Wenzel’sTheory(1936年）：Cassic’sTheory（1944年）：r為實際面積/投影面積粗糙模型氣墊模型Wenzel模型Cassie模型fs為為與液體接觸的固體百分比27微細結(jié)構(gòu)表面的接觸角理論Wenzel’sTheory(19微細結(jié)構(gòu)超疏水熱力學(xué)理論模型的建立與分析三維柱狀結(jié)構(gòu)示意圖，其中a、b、h的單位為微米級x-z平面的微結(jié)構(gòu)表面截圖假設(shè)液滴的體積不變Wenael’sstate,i.e.,noncompositestateCassie’sstate,i.e.,compositestate28微細結(jié)構(gòu)超疏水熱力學(xué)理論模型的建立與分析三維柱狀結(jié)構(gòu)示意圖，自由能隨接觸角的變化存在穩(wěn)定態(tài)即能量最小點局部能量最小A(不穩(wěn)態(tài))和最大BorC(亞穩(wěn)態(tài))前進和后退自由能壘180o具有相同的能量態(tài)自由能壘隨接觸角滯后的變化前進角后退角接觸角滯后29自由能隨接觸角的變化自由能壘隨接觸角滯后的變化10（1）必須有較大的粗糙度與本征接觸角，保證液滴能處于穩(wěn)定的復(fù)合潤濕狀態(tài)。（2）要有較小的固體表面百分比

，即較細的粗糙結(jié)構(gòu)，才能達到較大的平衡接觸角。（3）首先要有較大的本征接觸角，保證復(fù)合潤濕態(tài)，然后應(yīng)有較小的固液比，得到較小的接觸角滯后。（4）較小的柱間距能保證液滴的復(fù)合態(tài)接觸，但是較大的柱間距可導(dǎo)致較大的平衡接觸角。所以需要綜合考慮柱間距與其它微結(jié)構(gòu)參數(shù)如柱高、柱寬的匹配，從而得到同時具備大接觸角與小接觸角滯后的超疏水表面。

通過對表面幾何參數(shù)、粗糙因子、固體百分數(shù)、本征接觸角的討論提出了微細結(jié)構(gòu)表面幾何設(shè)計的幾條準則30（1）必須有較大的粗糙度與本征接觸角，保證液滴能處于穩(wěn)定的復(fù)滿足微細結(jié)構(gòu)表面幾何設(shè)計的條件（1）為形成熱力學(xué)穩(wěn)定的復(fù)合接觸態(tài)，需要較大的相對柱高hr（=h/b）。（2）要得到較大的平衡接觸角，應(yīng)該設(shè)計較小的相對柱寬ar（=a/b）或液固接觸面比例（fs=a/(a+b)）。（3）要達到較小的接觸角滯后或滾動角，需要較大的本征接觸角及較小的相對柱寬ar。（4）上述三個條件可保證良好的超疏水效果，但要保證表面微結(jié)構(gòu)的耐久性，也就是較好的機械性能，還需要較大的材料粗糙比mr（a/h）。

31滿足微細結(jié)構(gòu)表面幾何設(shè)計的條件（1）為形成熱力學(xué)穩(wěn)定的復(fù)合接根據(jù)微細結(jié)構(gòu)表面幾何設(shè)計條件對不同微細具體結(jié)構(gòu)表面的分析FIG.1FIG.1具有較大的相對柱高（hr=h1/b1=1）；提供復(fù)合態(tài)較大的材料粗糙比（mr=a1/h1=1）；好的機械耐久性而有較大的相對柱寬（ar=a1/b1=1）；不能提供較大的平衡接觸角a1=b1=h1=1m32根據(jù)微細結(jié)構(gòu)表面幾何設(shè)計條件對不同微細具體結(jié)構(gòu)表面的分析FIFIG.2FIG.2較大的相對柱高（對于大的柱間距，hr=h1/b1=1；對于小的柱間距，hr=h1/b2=1000）；保證復(fù)合潤濕態(tài)較小的相對柱寬（ar=500a2/(500b2+b1)=0.33）；較大平衡接觸角較小的材料粗糙比（mr=a2/h1=0.001）；不能提供好的機械耐久性

a1=b1=h1=1ma2=b2=h2=1nm33FIG.2FIG.2a1=b1=h1=1m14FIG.3較大的相對柱高（hr=h1/b2=1000）；保證復(fù)合潤濕態(tài)較大的相對柱寬（ar=a2/b2=1）；不能提供較大的平衡接觸角較小的材料粗糙比（mr=a2/h1=0.001）；好的機械耐久性

FIG.3FIG.4FIG.4較大的相對柱高（hr=h1/b1=1）；保證復(fù)合潤濕態(tài)較小的相對柱寬（ar=a2/b1=0.001）；較大的平衡接觸角較