徐勝 葉霞 范振敏 陸磊 馮歡

摘? ? 要：超疏水表面能夠降低液體流動(dòng)阻力，具有良好的減阻性能，在船舶航行、管道運(yùn)輸和航空飛行等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。首先，闡述超疏水表面潤(rùn)濕理論和減阻理論;然后，綜述近幾年來(lái)對(duì)超疏水表面微結(jié)構(gòu)尺寸、形貌以及流體速度等減阻影響因素的研究;最后，介紹超疏水表面制備方法并展望未來(lái)超疏水表面應(yīng)用前景。提出由于涂層類制備超疏水表面方法存在結(jié)合力弱的問(wèn)題，因此，未來(lái)通過(guò)構(gòu)建合適的微結(jié)構(gòu)制備持久性能較好的超疏水表面將是可行的。

關(guān)鍵詞：超疏水表面;微結(jié)構(gòu);潤(rùn)濕理論;減阻理論

中圖分類號(hào)：O59? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-7394（2021）02-0049-09

能源問(wèn)題是困擾人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要問(wèn)題。近年來(lái)，人們以節(jié)約能源為主要目標(biāo)，研究了許多節(jié)能降耗的方法，其中，減少各類運(yùn)輸中的表面摩擦阻力損耗就是一個(gè)重要研究領(lǐng)域。隨著近代微觀技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)仿照荷葉、水黽和豬籠草等生物制備出的表面具有一定的減阻性能，這種表面被稱為超疏水表面，一般是由微納米結(jié)構(gòu)和極低表面自由能物質(zhì)組成[1]。對(duì)于超疏水表面減阻性能[2-11]的研究，在大量的文獻(xiàn)中已有報(bào)道;一些學(xué)者研究后發(fā)現(xiàn)，微結(jié)構(gòu)參數(shù)、形貌以及流速等都會(huì)對(duì)其減阻效果造成一定的影響[12-17]。但是，目前學(xué)者們對(duì)這些影響因素的機(jī)理研究還不全面，在各自的研究中只分析了一部分因素對(duì)減阻性能所造成的影響;所以，本文在綜述仿生超疏水表面潤(rùn)濕理論、減阻機(jī)理和減阻影響因素之后，作進(jìn)一步的比較，從而分析影響超疏水表面減阻性能的因素及其影響程度和規(guī)律。

1? ? 超疏水表面潤(rùn)濕理論

對(duì)于潤(rùn)濕性的研究，最早可以追溯到1805年YOUNG T[18]提出的楊氏方程，如圖1（a）所示。液滴落到組成均勻且光滑的固體表面時(shí)，靜態(tài)接觸角與固-氣、固-液和液-氣之間的表面張力有關(guān)，通過(guò)熱力學(xué)平衡方程，YOUNG得到其表面的關(guān)系

公式：

其中：[θ]表示固-液-氣三相處于穩(wěn)定時(shí)光滑表面的接觸角。當(dāng)θ<90[°]時(shí)，固體表面呈現(xiàn)親水性;當(dāng)θ>90[°]時(shí)，固體表面呈現(xiàn)疏水性;當(dāng)[θ=90°]時(shí)，固體表面介于親水性與疏水性之間。[γsg]、[γsl]和[γlg]分別代表固-氣、固-液和液-氣之間的表面張力。

在生活中，我們所接觸的表面看起來(lái)光滑，但實(shí)際是粗糙的，因此楊氏方程的使用會(huì)存在很大誤差?？紤]到這種情況，1936年，WENZEL R N[19]引入粗糙因子[r]對(duì)Young方程進(jìn)行修正，如圖1（b）圖所示，液體與固體表面完全接觸，固-液實(shí)際接觸面積大于表觀接觸面積。通過(guò)計(jì)算，得到接觸角關(guān)系公式：

其中：[θw]表示W(wǎng)enzel狀態(tài)下的表觀接觸角;θ表示Young模型中的本征接觸角;粗糙因子[r]為固-液實(shí)際接觸面積與表觀接觸面積之比。由于固體表面的粗糙因子[r]>1，因此，在Wenzel模型中，增加表面粗糙度，將會(huì)使親水表面更加親水，疏水表面更加疏水。

CASSIE和BAXTER[20]在研究疏水表面時(shí)發(fā)現(xiàn)，液滴滴落到疏水表面時(shí)，接觸面凹坑內(nèi)的氣體不會(huì)被全部排除，在該狀態(tài)下，如果繼續(xù)使用Wenzel方程將會(huì)存在很大的誤差。因此，提出了另一種固體表面潤(rùn)濕模型，即Cassie-Baxter模型，如圖1（c）圖所示，其接觸角關(guān)系式為：

其中：[θc]表示Cassie-Baxter狀態(tài)下的表觀接觸角;[f1]和[f2]分別表示固-液接觸處固相和氣相與液體實(shí)際接觸面積之比（[f1+f2=1]）;[θ1]和[θ2]分別表示液體在固體和氣體表面的本征接觸角。一般水與空氣的接觸角為180[°]，則式（3）簡(jiǎn)化可得：

Wenzel狀態(tài)下，液體與凹坑內(nèi)表面完全接觸，液體的粘性較高;而Cassie狀態(tài)下，由于凹坑內(nèi)存在氣體，固-液接觸面積減小，液體的粘性減小。一般情況下，通過(guò)修飾低表面能物質(zhì)后，一些接觸面會(huì)從Wenzel狀態(tài)轉(zhuǎn)化為Cassie狀態(tài)，而且如果在Wenzel狀態(tài)越親水，那么在轉(zhuǎn)為Cassie狀態(tài)時(shí)所得到的接觸角越大。劉晨華等人[21]在對(duì)納秒激光加工微結(jié)構(gòu)表面性能研究中發(fā)現(xiàn)，接觸面氧化物的含量會(huì)影響其潤(rùn)濕性，氧化物的形成會(huì)增強(qiáng)親水性，并且經(jīng)過(guò)涂層處理后，潤(rùn)濕性會(huì)由親水特性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷匦浴?/p>

通常，接觸角大小能反應(yīng)固體表面疏水性能，但AMIRFAZLI A等人[22]的研究表明，僅用靜態(tài)接觸角是不能夠反映出固體表面的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕特性的;因此，還需要通過(guò)滾動(dòng)角和接觸角滯后這兩者來(lái)共同衡量物體的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕特性。這時(shí)，需將接觸角分為前進(jìn)接觸角和后退接觸角：前進(jìn)接觸角指的是固-液界面將產(chǎn)生，而氣-液界面將消失時(shí)形成的接觸角;后退接觸角指的是氣-固界面將產(chǎn)生，而固-液界面將消失時(shí)的接觸角。接觸角滯后[23]是指固體表面存在粗糙不平或者成分組成不均勻，使得接觸角并非唯一的值，而是在相對(duì)穩(wěn)定的兩個(gè)角度之間變化的現(xiàn)象。滾動(dòng)角是指液滴在表面即將發(fā)生滾動(dòng)但尚未滾動(dòng)時(shí)，傾斜表面的水平角度[α]。如圖2所示，水滴在傾斜表面將要滾落的臨界狀態(tài)的角度即為滾動(dòng)角。

2? ? 超疏水表面減阻理論

2.1? 滑移減阻理論

在減阻技術(shù)的研究中，由Navier提出的滑移理論[24]是一種得到普遍認(rèn)可的用來(lái)評(píng)判減阻效果的理論。如圖3所示，對(duì)于理想情況，液體流經(jīng)超疏水表面，其速度在速度場(chǎng)垂直方向不會(huì)發(fā)生改變。而在實(shí)際情況中，一般靠近壁面的流速為0，存在著較大的粘性阻力;而在有超疏水微結(jié)構(gòu)的表面，可以明顯看到在靠近壁面處的流速已經(jīng)不為0，粘性阻力減小。如果延伸沿著速度梯度方向的法線到速度為0處，所延伸的長(zhǎng)度就稱為滑移長(zhǎng)度[s]，那么，壁面速度[v]的公式推導(dǎo)為：

在LEE C等人[26]176的研究中，通過(guò)微型PIV測(cè)量出流經(jīng)微結(jié)構(gòu)表面的速度場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)在高雷諾數(shù)下，微結(jié)構(gòu)表面幾乎沒(méi)有減阻效果。在RASTEGARI A等人[46]的研究中，模擬湍流中高雷諾數(shù)情況下超疏水表面的減阻特性和可持續(xù)性界限，結(jié)果表明：減阻的大小不僅與表面微結(jié)構(gòu)的幾何形狀和大小有關(guān)，還與雷諾數(shù)有關(guān);一定條件下，隨著雷諾數(shù)的增加，超疏水表面減阻效果增強(qiáng)。在DANIELLO R J等人[47]的研究中，選用PDMS通過(guò)光刻技術(shù)制備微結(jié)構(gòu)表面，研究發(fā)現(xiàn)：在層流狀態(tài)下沒(méi)有滑移速度出現(xiàn)，而在湍流狀態(tài)下滑移速度出現(xiàn)，且隨著雷諾數(shù)的增加而增加，減阻效果也越好。李小磊等[48]分別使用激光加工、自組裝技術(shù)和化學(xué)涂覆技術(shù)在Si基底上加工出親水壁面、疏水壁面和超疏水壁面，然后將所得壁面兩兩組合在微通道的上下壁面，得到滑移速度偏向于更疏水一面的結(jié)論。由以上研究發(fā)現(xiàn)：在一般情況下，隨著流體速度的增大，超疏水表面和光滑表面所產(chǎn)生的阻力也加大;當(dāng)流體速度達(dá)到一定值時(shí)，層流變?yōu)橥牧鳎杷砻婵梢匝泳弻恿髯優(yōu)橥牧鞯倪^(guò)程，即需要比光滑表面更大的流體速度才能使流動(dòng)狀態(tài)從層流變?yōu)橥牧鳌?/p>

4? ? 超疏水表面制備

超疏水表面是由微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)和極低的表面自由能組成的，這就決定了制備超疏水表面的方法應(yīng)圍繞以下三種：（1）在固體表面覆蓋一層低表面自由能物質(zhì);（2）在固體表面構(gòu)建合適的微納米復(fù)合結(jié)構(gòu);（3）使合適的微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)與合適的表面自由能組合。目前，已有的制備方法包括激光刻蝕法[49]、化學(xué)氣相沉積法[50]、模板印刷法[51]和溶膠凝膠法[52]?；瘜W(xué)氣相沉積法難以保證微結(jié)構(gòu)形貌，可控性較差;模板印刷法可在聚合物表面加工出微結(jié)構(gòu)，但不宜在金屬表面加工;溶膠凝膠法制備出的微結(jié)構(gòu)表面與基體結(jié)合力弱;激光刻蝕法對(duì)于微結(jié)構(gòu)形貌可控，雖然不適合在大物體表面加工，但可以通過(guò)設(shè)計(jì)合適的激光設(shè)備來(lái)彌補(bǔ)這一缺陷，未來(lái)可期。然而，以上方法所制備的微結(jié)構(gòu)表面，一般耐久性能比較差，往往經(jīng)過(guò)短時(shí)間的使用其表面微結(jié)構(gòu)就會(huì)被破壞，從而失去超疏水特性。近年來(lái)，王德輝等人[53]研究了在硅片、陶瓷、金屬、玻璃等普適性基材表面，利用光刻和冷/熱壓等微細(xì)加工技術(shù)，加工倒四棱錐微腔陣列結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)不銹鋼刀片的反復(fù)刮擦，鎧甲化表面表現(xiàn)出對(duì)垂直載荷和剪切力良好的抵抗能力，且填充在微結(jié)構(gòu)內(nèi)部的納米材料完好無(wú)損，展現(xiàn)了超疏水表面非凡的應(yīng)用潛力。

5? ? 結(jié)語(yǔ)與展望

超疏水表面因其良好的減阻性能，未來(lái)在水下航行、管道運(yùn)輸和空中航行等需要減少固-液摩擦阻力的領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。由于目前涂層類制備超疏水表面依舊存在涂層結(jié)合力弱、耐用性差等問(wèn)題，因此，制備耐磨損、耐使用超疏水表面將會(huì)是一個(gè)重要的研究方向。此外，影響超疏水微結(jié)構(gòu)表面減阻效果的因素有很多，需要將多種因素結(jié)合在一起考慮，建議采用正交實(shí)驗(yàn)方法或其他多種因素的處理方法?？赏ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬方法選出影響最大的因素，并綜合各因素找出減阻效果較好的參數(shù)和形貌;然后，在此微結(jié)構(gòu)參數(shù)和形貌下進(jìn)行微結(jié)構(gòu)深度、寬度和間距的單一變量變化實(shí)驗(yàn)和模擬，最終得到減阻效果較好的超疏水微結(jié)構(gòu)表面。

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