[发明专利]一种周期排列微柱结构的稳定超疏水表面设计方法

说明书

本发明提供一种微柱结构稳定超疏水表面的可控设计方法，从最小能量原理的角度出发提出液滴形成稳定Cassie状态的临界高度准则，可作为制备稳定超疏水微结构的一种理论判据。通过计算临界高度对能否形成稳定Cassie状态进行理论预测，从而实现稳定超疏水表面的可控设计。通过对设计出的微柱结构的静态躺滴和动态回弹的Fluent软件仿真数值模拟，对设计的微柱结构表面浸润性能进行验证。本发明所提出的周期排列的微柱结构超疏水表面设计方法同时考虑了微柱高度、微柱间距、微柱底面边长、本征接触角对微柱结构表面疏水性能的影响，涉及超疏水设计、材料仿真模拟领域，设计过程方便快捷，设计方法易于掌握。

技术领域

本发明属于超疏水表面设计领域，涉及一种通过对周期排列的微柱结构表面进行微柱高度设计实现稳定超疏水表面的设计方法，其适用于周期排列的微柱结构稳定超疏水表面的可控设计。

背景技术

超疏水表面指的是静态接触角大于150°，并具有极强疏水性的一类典型的微纳结构表面。生物在长期进化过程中，经过自然选择，形成了此类构形独特、性能优异的材料表面，如水黾的腿、荷叶表面等。这类微结构中截留的空气层能有效减小液体与表面的接触，从而实现多种功能，如自清洁、超级浮力、表面减阻和防结冰等。基于仿生的思想，通过在材料表面构建微纳粗糙结构实现超疏水蕴含着巨大应用价值。

通常液滴在固体表面具有两种接触情况：液滴填充于粗糙表面的凹坑，形成“湿润表面”，即Wenzel模型；液滴位于粗糙表面凸起的顶部形成“复合表面”，即Cassie模型。其分别对应Wenzel理论和Cassie理论其中，θ_w^*和θ_c^*分别是Wenzel模型和Cassie模型中的表观接触角。θ是固体表面的本征接触角，即若该固体表面为平面时液滴能形成的杨氏接触角。r是固体表面的粗糙度，表示固液间的真实接触面积与其在水平面内投影的面积之比，是一个大于1的数值。是固液界面水平投影的面积分数。由于相对容易制造，周期性排列的微柱结构表面获得了广泛关注。对于周期排列的微柱阵列表面，和a,h,l分别表示微柱底面边长、微柱高度和微柱间距。

在分析超疏水稳定性方面，N.A.Patankar等(Langmuir,2010,26,8941) 的研究表明在微结构表面可以同时存在Wenzel状态和Cassie状态，当液滴受到外界干扰或者其自重作用时可以从Cassie状态向Wenzel状态发生不可逆转变，并从几何角度出发探讨微柱高度对液滴在微结构表面湿润性影响，认为当液滴在微结构表面稳定时其自由下垂面必须小于微柱的高度，否则液滴将从Cassie状态转变为Wenzel状态。

但目前还未见关于微柱结构表面能稳定维持在Cassie状态的微柱高度的设计条件。超疏水表面之所以具有各种优良性能，主要是因为微结构表面形成了较大比例的气液界面来维持Cassie状态，使得材料表面有大的接触角和低的迟滞性，气液界面的稳定性直接关系到结构的滑移和疏水性能。制备超疏水表面的关键挑战之一是如何考虑这种润湿状态的转变，如何设计微柱高度以确保液滴能稳定存在于Cassie状态。

本专利从最小能量原理的角度探讨周期排列的微柱结构能形成稳定Cassie状态的临界高度与结构几何参数和表面性质的关系，提出了一种设计稳定超疏水表面的理论判据和设计方法。

发明内容

本发明提供一种微柱结构稳定超疏水表面的可控设计方法。从最小能量的角度提出一种理论判据，使液滴在周期排列的微柱结构表面能够维持在稳定Cassie状态，并提出能维持稳定Cassie状态的微柱“临界高度”准则，从而实现稳定超疏水表面的可控设计。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种微柱结构稳定超疏水表面的可控设计方法，设计过程如图1所示，具体包括以下步骤。