[发明专利]基于几何分析的稳定超疏水表面可控设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料研究模型化和模拟、材料(计算)设计领域，特指通过对微结构表面润湿模式转换过程从几何角度进行理论分析来实现稳定性超疏水表面可控设计的一种方法，可适用于具有平行光栅形、圆形凹坑形等规则形貌微结构的表面。

背景技术

润湿性是固体表面的重要特征之一，它是由表面的化学成分和微观结构共同决定的。在关于生物表面“荷叶效应”的研究中人们发现，许多生物表面具有微米与纳米相结合的阶层结构，这种微纳米尺度结合的双层或多层复合粗糙结构正是许多生物表面具有超疏水性能的根本原因。师法自然，通过在材料表面制作微纳米尺度结合的复合粗糙结构来实现材料表面的超疏水性能，就可使得材料具有无比优越的自洁特性，从而可以在工农业生产和人们的日常生活中得到广泛的应用。

具有超疏水性的表面一般是指与水的接触角θ大于150°的表面，其中接触角可以根据经典润湿理论中的Wenzel理论和Cassie理论进行理论预测。关于粗糙表面上液滴的接触形式，R.N.Wenzel认为液体始终能填满粗糙表面上的凹槽形成润湿接触。此时，润湿表面的表观接触角θ_r^W和固有接触角(即杨氏接触角)θ_e的关系为：

cosθrw=rcosθe---(1)]]>

其中r为粗糙度因子，表示粗糙表面的实际面积(即固-液接触面积)与其水平投影面积之比。而A.B.D.Cassie和S.Baxter则认为液滴在粗糙表面上的接触是一种复合接触，液滴不填充于粗糙表面上的凹坑而位于粗糙突起的顶部，于是复合表面的表观接触角θ_r^C表示为：

cosθrC=-1+f1(cosθe+1)---(2)]]>

其f₁表示固体表面上的突起所占的面积分数。

以上两式即是Wenzel理论和Cassie理论的公式描述。在实际研究中往往在表面构建易于加工的比较规则的微结构，其中包括平行光栅形、圆形凹坑形等几何微结构。

N.A.Patankar的研究中指出，在同一粗糙表面上可以同时存在两种超疏水性状态，分别对应于Wenzel模式和Cassie模式。在液滴的自身重力或外界干扰作用下，这两种润湿模式之间可以发生由Cassie模式到Wenzel模式的不可逆转换(以下均称为C/W转换)。在通过构建表面微结构制备理想的稳定超疏水表面时应当考虑到润湿模式转换的问题，尽量使得液滴能在其上处于稳定的Cassie模式，而不进入微结构结构之间的沟槽。可见，准确评判液滴在微结构表面能否发生C/W转换是微结构表面能否获得超疏水稳定性的关键。