超疏水表面的自清潔、保持干燥以及低粘附力等功能特點在生物技術、醫(yī)學和工程領域具有廣泛的應用前景。由于傳統(tǒng)表面的超疏水性和機械穩(wěn)定性不可兼得,成為限制其實際應用的最大障礙。另外,面向應用還需具備化學穩(wěn)定性、抗射流沖擊和抗冷凝失效等性能,這對超疏水表面的真實應用提出了極高的要求。本論文提出不同于傳統(tǒng)增強機械穩(wěn)定性的思路,創(chuàng)造性地將表面的浸潤性和機械穩(wěn)定性拆分至兩種不同的結構尺度,并提出裝甲的概念,用微結構保護超疏水納米材料免遭摩擦磨損。本論文主要解決了超疏水表面機械穩(wěn)定性不足這一關鍵問題,同時因裝甲結構的引入,提升了其他綜合性能,推動超疏水表面進入實際應用。研究工作簡介如下:（1）基于拆分超疏水性和機械穩(wěn)定性的思路,用微結構作為保護納米粗糙度的裝甲,以提高超疏水表面機械穩(wěn)定性。結合浸潤性理論及機械力學原理分析,得出連續(xù)結構、低結構面積分數(shù)、大側壁角度（120?5°）三個裝甲結構設計原則,設計出以倒四棱錐微腔陣列為代表的裝甲表面。利用光刻、冷/熱壓等微細加工技術在硅片、陶瓷、金屬、玻璃等普適性基底表面成功的制備出了倒三棱錐、倒四棱錐和倒六棱錐微結構裝甲,并在微結構中填充納米二氧化硅材料或噴涂... 

【文章來源】：電子科技大學四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：114 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

通過化學或物理等手段對各類材料進行表面功能化以后，才能使其走向實際應用；可見，材料表面科學與工程研究的意義重大

電子科技大學博士學位論文2由于處在界面上的分子環(huán)境特殊，表現(xiàn)出許多特殊的物理、化學性質(zhì)，如表面張力(surfacetension)、毛細現(xiàn)象(capillarity)、潤濕現(xiàn)象(wettability)等，研究者們將這些界面性質(zhì)賦予了科學的解釋，并將其總結為表面浸潤性，也稱潤濕性。潤濕性是表界面科學中的一個重要分支，也是材料表面的重要特征[2]。液體對固體表面的浸潤，是常見的界面現(xiàn)象，不僅影響自然界中動、植物的各種生命活動，而且對人類的生活和生產(chǎn)起著重要影響。理解和調(diào)控浸潤性，即液體與固體表面的相互作用，已成為表面科學與工程研究的關鍵問題，影響著包括生命科學、化學化工、信息技術在內(nèi)的諸多科學技術領域[3-22]。在人類社會生活中，特別是極端環(huán)境條件下的許多表界面相關的科學問題仍未能得到有效解決，帶來了許多不利影響并造成嚴重的經(jīng)濟損失，甚至帶來毀滅性災難。如圖1-2所示，飛機、輪船、高壓輸電設備等遭遇嚴重的結冰[23,24]，以及汽車車窗和后視鏡起霧[25]都可能導致人類的生命財產(chǎn)受到嚴重威脅。而金屬腐蝕和海洋生物粘附、原油污染、管道固-液輸運阻力、太陽能電池板積灰、人機界面指紋殘留等現(xiàn)象則會增加能源輸出、加重環(huán)境負擔、降低生產(chǎn)效率[16,26-28]。因此，設計能夠承受復雜環(huán)境挑戰(zhàn)的功能界面材料對人類的生存發(fā)展至關重要。值得注意的是，上述界面現(xiàn)象都與材料表面浸潤性相關。圖1-2日常生活中由界面誘發(fā)的諸多不利現(xiàn)象。(a)飛機螺旋槳結冰；(b)高壓輸電設備結冰；(c)車窗玻璃起霧；(d)金屬材料被腐蝕；(e)船底粘附大量貽貝；(f)原油污染，導致鳥類羽毛被浸潤；(g)管道輸運阻力增加能源消耗；(h)太陽能電池面板嚴重積灰；(i)終端設備的人機交互界面殘留指紋

液體，(2)可控操縱流體，(3)在復雜、極端的環(huán)境條件下長效運行，將對環(huán)境、能源和健康等領域產(chǎn)生廣泛影響。然而，這已被證明極具挑戰(zhàn)。在自然界中，許多生命體衍化出精細復雜的表面結構，形成特殊的固-液相互作用，即特殊浸潤性。這些生物能在特定環(huán)境中生存，表現(xiàn)出高度的環(huán)境適應性[5,7,9,14,29-31]。例如，荷葉依靠表面的微/納結構捕捉空氣，在固-液之間形成氣墊，使得液滴極易滾落，表現(xiàn)出超疏水的性能[32]。液滴在滾落的同時，可帶走表面的污垢使表面保持清潔，這種自清潔(self-cleaning)效應也被稱之為荷葉效應，如圖1-3(a)。跳蟲(springtails)是一種長期生活在土壤中的節(jié)肢動物，它們已經(jīng)進化出的雙內(nèi)凹納米結構的皮膚，可防止土壤中的污水或有機液體浸潤其軀體[33]，如圖1-3(b)。又如，豬籠草(Nepenthes)盡管不具備任何主動捕獵機制，卻能成功“吞噬”昆蟲。究其原理，主要是借助籠體口緣連續(xù)的微米級紋理，不僅能將籠中液體向外定向運輸至口緣，還能長期鎖住潤滑液從而構成超滑表面，使昆蟲被動滑落進入籠體，從而被“消化”吸收[34,35]，如圖1-3(c)所示。此外，水黽的水上行走能力，蝴蝶翅膀對液滴的定向粘附性，以及沙漠甲蟲、蜘蛛網(wǎng)和仙人掌的集水功能，都是生物體獨特的微/納米表面結構和固有的材料特性表現(xiàn)出來的特殊浸潤性[36]。圖1-3自然界中典型的超疏液表面。(a)擁有自清潔功能的荷葉表面具有微納米結構[32]；(b)跳蟲的軀體具有特殊的單內(nèi)凹結構，可疏有機液體的[33]；(c)豬籠草口緣的微納米結構充分灌入液體后展現(xiàn)出超滑效果，使“獵物”滑落到籠子里被“捕獲”[34,35]受生物體為適應各種環(huán)境進化而來的特殊浸潤性原理（巧妙的結構設計）的啟發(fā)，廣大科研工作者師法自然，對生物體的浸潤性原理深入研究，并通?

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Sustaining enhanced condensation on hierarchical mesh-covered surfaces[J]. Rongfu Wen,Shanshan Xu,Dongliang Zhao,Lixin Yang,Xuehu Ma,Wei Liu,Yung-Cheng Lee,Ronggui Yang.  National Science Review. 2018(06)



本文編號：3273657