[发明专利]一种基于生物耦合机制的金属基润湿表面结构设计方法

说明书

本发明公开了一种基于生物耦合机制的金属基润湿表面的结构设计方法，建立典型植物叶表面结构理想数学模型，揭示其界面润湿行为机理及动态变化规律，提出结构、形态、成分多因素耦合新机制，将其表面形貌进行几何模型化处理，通过相关的实验设计来有效改变表面润湿状态，从而实现金属基仿生功能表面的制备，极大增加其应用范围，该方法基于工程仿生思想，以多样化生物分级结构及可控制备技术为手段，通过相关的实验设计来有效改变表面润湿状态，以实现多功能仿生表面的制备，本发明在金属基底上形成超疏水仿生表面，具有微纳米尺度双层分级结构，接近天然生物表面形态特征。

技术领域

本发明涉及金属材料表面改性技术领域，特别是涉及一种基于生物耦合机制的金属基润湿表面的结构设计方法。

背景技术

自然界大量的动物和植物表面，经过亿万年的自然选择与进化，在遗传、变异、竞争以及环境条件的作用下，形成了对现实复杂问题有效的解决机制，生物表面的功能特性，如自洁、防水、吸附、润滑、摩擦、磨损等，呈现出生物自身结构与其功能的高度统一性，为仿生功能表面的设计与制备提供了灵感和理论基础。

“师法自然”，围绕揭示典型生物体表的功能机理，以自然界经亿万年优化的生物多层次、多维和跨尺度本征结构为模本，建立仿生微结构与功能相耦联的关系模型，通过人工方法，在模拟其物理结构的同时，结合其结构化学构成，制备既有自然界生物精巧结构，又有对其结构的修饰、组装和多尺度复合，从而形成具有仿生多功能的结构表面。

生物功能表面的机理是仿生设计与制备的基础，对于液固接触的生物表面而言，多名学者已经开展了对其形态、材料作用机理的揭示。然而，遗憾的是，对于其多级结构的设计准则、结构单元体尺度、形态优化设计，没有进行系统探讨与定量的描述。因此，探索生物功能的耦合作用与各因素的耦联情况的定量关系，对于仿生设计与制备具有重要的理论意义。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术对生物功能表面的多级结构的设计准则、结构单元体尺度、形态优化设计，没有进行系统探讨与定量的描述等问题，而提供一种基于生物耦合机制的金属基润湿表面的结构设计方法，本发明可根据优化模型来适当调整结构参数，表面润湿性得到有效改善，进而适应不同工况。不仅仅为表面处理技术增加一种新的解决途径，还可有效缓解工业生产中的诸多问题，可根据优化模型来适当调整结构参数，表面润湿性得到有效改善，进而适应不同工况，基于形态尺度与材料耦合的设计准则，定量表征形态尺度设计参数，优化结构形貌，为仿生功能表面设计提供一定的借鉴。

本发明的具体设计方法如下：

一、建立仿生数学模型，揭示界面润湿行为机理及动态行为规律，同时展开仿生结构与形态的设计；

1、仿生数学模型的建立

选取荷叶、玫瑰花瓣与万寿菊花瓣这三种典型超疏水植物进行研究，通过扫描电镜图像SEM观察与润湿性测试来展开分析：

荷叶：CA＝155°，SEM图像显示，荷叶表面微观结构是由底面为多边形的微米级凸包密堆积而成的，同时在微米级乳突表面上分布着纳米级蜡质晶体。这种微米级的凸包和纳米级的蜡状刺突就构成了荷叶表面的微纳米双层分级结构，使得荷叶表面具有足够的粗糙度，呈现出超疏水特性，兼具自清洁特性；

玫瑰花瓣：CA＝151.4°，表面由底面为多边形的微米级突起密堆积排列而成，同时还覆盖有纳米尺度的褶皱，从而形成独特的双层分级结构，即微米级的乳突与纳米级的褶皱，水滴在玫瑰花瓣上方时，水滴能够呈现高且稳定的接触角；水滴垂直于玫瑰花瓣表面甚至处在玫瑰花瓣的下方时，也能够在其表面保持稳定的超疏水状态，不会掉落。这说明玫瑰花瓣表面同时拥有超疏水和高黏附双重特性；