[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

摘要

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。

主权项

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，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；二、仿生结构与形态的设计1)分级结构设计：在深入研究植物叶的浸润性与其表面微结构的关系之后，Herminghaus指出，只要最小一级结构能够让液体产生悬挂，分级微细结构可以使得任何本征接触角θ>0的固体表面变得不浸润(θ>90°)，甚至进入超疏水状态；cosθn*=(1-fn)cosθn-1*-fn]]>其中，n指结构级数，其值越大代表级数越高；f表示气‑液接触面积分数；θ为表面接触角；基于Herminghaus模型，结合典型生物表面形貌，设计双级结构，其中需保证基底的本征接触角大于0，以有效改善表面润湿特性；2)形态设计：具有凸突形状的分级结构不仅可以增强疏水性，还能钉扎液‑固‑气三相接触线，从而进一步使超疏水性具有稳定性，故而选取凸包形态进行仿生设计，且γ≈0.5‑0.7，γ＝R/L，γ为深径比，R为凸包半径，L为微柱间距；3)结构稳定性与能量分析：当液面位于凸起处时，系统处于稳定状态，而当液面位于凹槽处时，系统则不稳定，对于本征疏水表面能量越低的稳定状态，对应的液面位置越高，而对于本征亲水表面能量越低的稳定状态，对应的液面位置则越低，对于本征亲水表面，当液滴逐步浸润固体表面时，系统自由能将越过势垒从一个稳态进入另一个能量更低的稳态，系统总自由能将变得更小；G＝π1/3(3V)2/3(1‑cosθr)2/3(2+cosθr)1/3γLV其中，G为稳态时液滴所需能量；V为液滴体积；γLV表示液体与空气之间的表面张力，表示界面上单位面积的能量；三、对金属试样进行预处理：将抛光好的金属试样依次使用丙酮、无水乙醇进行超声波清洗10min，以除去试样表面杂物；四、采用激光加工技术在金属基底表面上制备周期性仿生结构参照经过典型植物耦合优化设计之后的数学模型，在金属试样基底表面上进行仿生结构制备；在金属试样基底上进行表面微结构设计，并改变加工参数来获取具有不同形貌特征的表面，选用合适的激光能量强度、扫描速度以及扫描间距，随后，在相同的激光能量强度、扫描速度下，改变微柱加工的形状、直径或间距，即可在金属基底上获得具有不同表面形貌的周期性微柱结构；所述激光加工方法的加工参数如下：激光能量强度选取范围为0‑100W；扫描速度控制在100‑500mm/s；微柱形状包括圆柱状或方块状或条状；微柱直径变化范围为30μm‑100μm；微柱间距变化范围50μm‑150μm；五、选用不同的低表面能物质对加工表面进行修饰。