一種周期排列微柱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定超疏水表面設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于超疏水表面設(shè)計領(lǐng)域，涉及一種通過對周期排列的微柱結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行 微柱高度設(shè)計實現(xiàn)穩(wěn)定超疏水表面的設(shè)計方法，其適用于周期排列的微柱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定超疏水 表面的可控設(shè)計。
【背景技術(shù)】
[0002] 超疏水表面指的是靜態(tài)接觸角大于150°，并具有極強(qiáng)疏水性的一類典型的微納結(jié) 構(gòu)表面。生物在長期進(jìn)化過程中，經(jīng)過自然選擇，形成了此類構(gòu)形獨特、性能優(yōu)異的材料表 面，如水黽的腿、荷葉表面等。這類微結(jié)構(gòu)中截留的空氣層能有效減小液體與表面的接觸， 從而實現(xiàn)多種功能，如自清潔、超級浮力、表面減阻和防結(jié)冰等?；诜律乃枷?，通過在材 料表面構(gòu)建微納粗糙結(jié)構(gòu)實現(xiàn)超疏水蘊(yùn)含著巨大應(yīng)用價值。
[0003] 通常液滴在固體表面具有兩種接觸情況:液滴填充于粗糙表面的凹坑，形成"濕潤 表面"，即Wenzel模型;液滴位于粗糙表面凸起的頂部形成"復(fù)合表面"，即Cassie模型。其分 別對應(yīng) Wenzel 理論 cos A =rcos 沒和Cassie 理論'COSi^,=爐〔cos 沒+ 1)-1，。其中，Θ/和Θ。* 分 別是Wenzel模型和Cassie模型中的表觀接觸角。Θ是固體表面的本征接觸角，即若該固體表 面為平面時液滴能形成的楊氏接觸角。r是固體表面的粗糙度，表示固液間的真實接觸面積 與其在水平面內(nèi)投影的面積之比，是一個大于1的數(shù)值。供是固液界面水平投影的面積分 數(shù)。由于相對容易制造，周期性排列的微柱結(jié)構(gòu)表面獲得了廣泛關(guān)注。對于周期排列的微柱
，h，1分別表示微柱底面邊長、微柱高度和微柱間距。
[0004] 在分析超疏水穩(wěn)定性方面，N.A.Patankar等(Langmuir，2010，26，8941)的研究表 明在微結(jié)構(gòu)表面可以同時存在Wenzel狀態(tài)和Cassie狀態(tài)，當(dāng)液滴受到外界干擾或者其自重 作用時可以從Cassie狀態(tài)向Wenzel狀態(tài)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)變，并從幾何角度出發(fā)探討微柱高度 對液滴在微結(jié)構(gòu)表面濕潤性影響，認(rèn)為當(dāng)液滴在微結(jié)構(gòu)表面穩(wěn)定時其自由下垂面必須小于 微柱的高度，否則液滴將從Cassie狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閃enzel狀態(tài)。
[0005] 但目前還未見關(guān)于微柱結(jié)構(gòu)表面能穩(wěn)定維持在Cassie狀態(tài)的微柱高度的設(shè)計條 件。超疏水表面之所以具有各種優(yōu)良性能，主要是因為微結(jié)構(gòu)表面形成了較大比例的氣液 界面來維持Cassie狀態(tài)，使得材料表面有大的接觸角和低的遲滯性，氣液界面的穩(wěn)定性直 接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的滑移和疏水性能。制備超疏水表面的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是如何考慮這種潤濕狀 態(tài)的轉(zhuǎn)變，如何設(shè)計微柱高度以確保液滴能穩(wěn)定存在于Cass i e狀態(tài)。
[0006] 本專利從最小能量原理的角度探討周期排列的微柱結(jié)構(gòu)能形成穩(wěn)定Cassie狀態(tài) 的臨界高度與結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)和表面性質(zhì)的關(guān)系，提出了一種設(shè)計穩(wěn)定超疏水表面的理論判 據(jù)和設(shè)計方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供一種微柱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定超疏水表面的可控設(shè)計方法。從最小能量的角度提 出一種理論判據(jù)，使液滴在周期排列的微柱結(jié)構(gòu)表面能夠維持在穩(wěn)定Cassie狀態(tài)，并提出 能維持穩(wěn)定Cassie狀態(tài)的微柱"臨界高度"準(zhǔn)則，從而實現(xiàn)穩(wěn)定超疏水表面的可控設(shè)計。
[0008] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0009] -種微柱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定超疏水表面的可控設(shè)計方法，設(shè)計過程如圖1所示，具體包括以 下步驟。
[0010]第一步，建立周期排列的微柱結(jié)構(gòu)模型，設(shè)置微柱結(jié)構(gòu)模型的幾何參數(shù)。所述的幾 何參數(shù)包括單個微柱的高度h，單個微柱的底邊邊長a，微柱的間距1，微柱結(jié)構(gòu)表面的本征 接觸角Θ。
[0011]第二步，建立維持穩(wěn)定Cassie狀態(tài)的理論判據(jù)
[0012]從最小能量原理角度對微結(jié)構(gòu)表面濕潤狀態(tài)進(jìn)行分析時，將能維持穩(wěn)定Cassie狀 態(tài)的最小高度稱為臨界高度，該臨界高度判斷設(shè)計的微柱結(jié)構(gòu)表面能否維持穩(wěn)定的Cassie 狀態(tài)。臨界高度的計算公式推導(dǎo)過程為：
[0013] 2.1計算表面自由能的改變量dE
[0014]當(dāng)液滴在周期排列的微柱結(jié)構(gòu)的表面鋪展dx時，表面自由能的改變量dE，液滴在 微結(jié)構(gòu)表面鋪展時，若形成Wenzel狀態(tài)時采用公式（1)計算;若形成Cassie狀態(tài)時采用公式 (2)計算；
[0015] dE = r( γ SL-γ sc)dx+γ glcIxcosQ* (I)
[0017] 其中，固液交界面的面積
a表示每個微柱底面 邊長，h表不每個微柱底面高度，1表不微柱間距，γ sc, γ SL, γ GL分別表不固氣、固液和氣液 的表面張力。
[0018] 2.2根據(jù)最小能量原理，計算微柱結(jié)構(gòu)表面的臨界角0cr
[0019] 由于系統(tǒng)穩(wěn)定時液滴的表觀接觸角越小，其具有的能量越小，所以液滴將穩(wěn)定于 最小表觀接觸角的狀態(tài)。將楊氏方程γ SL= γ SG+ γ ac〇s0代入(5)得到公式(6)
[0022] 其中，Θ是微柱結(jié)構(gòu)表面的本征接觸角。
[0023] 2.3計算微柱結(jié)構(gòu)表面的臨界高度值
[0024]
代入公式(6)得到臨界高度hr的計算公式(7)，臨界高度hr是能 維持穩(wěn)定Cassie狀態(tài)的最小微柱高度。為了消除尺寸的影響使用高度與間距的比值將其化 成一個無量綱參數(shù)公式(8)。

[0027] 第三步，預(yù)設(shè)計微柱結(jié)構(gòu)表面的幾何參數(shù)
[0028] 根據(jù)cos慫二爐(COS0 + 1)-1計算液滴在微柱結(jié)構(gòu)表面若能維持Cassie狀態(tài)時的 表觀接觸角，由表觀接觸角判斷預(yù)設(shè)計的微柱結(jié)構(gòu)表面是否可能具有超疏水性能。當(dāng)表觀 接觸角不小于150°，計算微柱結(jié)構(gòu)表面的臨界高度值；當(dāng)表觀接觸角小于150°，重新預(yù)設(shè)計 微柱結(jié)構(gòu)表面的幾何參數(shù)。
[0029] 第四步，計算微柱結(jié)構(gòu)表面的臨界高度
[0030] 將預(yù)設(shè)計的微柱結(jié)構(gòu)表面的幾何參數(shù)按公式(7)或公式(8)計算臨界高度值，若預(yù) 設(shè)計的微柱高度不小于臨界高度值，則通過Fluent軟件從靜態(tài)躺滴和動態(tài)液滴撞擊回彈兩 個方面判斷液滴能否維持穩(wěn)定的Cassie狀態(tài)，如果液滴維持穩(wěn)定的Cassie狀態(tài)，進(jìn)行第五 步，如果液滴不維持穩(wěn)定的Cassie狀態(tài)，則重復(fù)步驟三;若預(yù)設(shè)計的微柱高度小于臨界高度 值，則重復(fù)步驟三。
[0031] 第五步，根據(jù)預(yù)設(shè)計微柱結(jié)構(gòu)表面的幾何參數(shù)制備微柱結(jié)構(gòu)表面，進(jìn)行實驗驗證， 測試其超疏水性及其穩(wěn)定性。
[0032] 討論建立維持穩(wěn)定Cassie狀態(tài)的理論判據(jù):推導(dǎo)的無量綱參數(shù)公式同時考慮了微 柱高度、間距、底邊邊長、本征接觸角對結(jié)構(gòu)表面疏水性能的影響，并且準(zhǔn)確得出了該高度 與本征接觸角、固液交界面的面