[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

摘要

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。

主权项

1.一种微柱结构的稳定超疏水表面的可控设计方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，建立周期性排列的微柱结构模型，设置微柱结构模型的几何参数；所述的几何参数包括单个微柱的高度h,单个微柱的底边边长a，微柱的间距l，微柱结构表面的本征接触角θ；第二步，建立维持稳定Cassie状态的理论判据维持稳定Cassie状态的最小高度为临界高度，该临界高度判断设计的微柱结构表面能否维持稳定的Cassie状态；临界高度的计算公式推导过程为：2.1计算表面自由能的改变量dE液滴在稳定超疏水表面铺展dx时，若形成Wenzel状态则采用公式(1)计算dE；若形成Cassie状态则采用公式(2)计算dE；dE＝r(γSL‑γSG)dx+γGLdxcosθ*       (1)其中，固液交界面的面积分数粗糙度a表示每个微柱底面边长，h表示每个微柱底面高度，l表示微柱间距，γ_SG,γ_SL,γ_GL分别表示固气、固液和气液的表面张力；2.2计算微柱结构表面的临界角θcr将杨氏方程γSL＝γSG+γGLcosθ代入(5)得到公式(6)其中，θ是微柱结构表面的本征接触角；2.3计算微柱结构表面的临界高度值hcr临界高度值h_cr是维持稳定Cassie状态的最小微柱高度，将代入公式(6)得到临界高度值h_cr的计算公式(7)；公式(8)消除尺寸影响使将公式(7)化成一个无量纲参数公式；第三步，预设计微柱结构表面的几何参数根据计算液滴在微柱结构表面的表观接触角，根据表观接触角判断预设计微柱结构表面是否具有超疏水性能；当表观接触角不小于150°，计算微柱结构表面的临界高度值；当表观接触角小于150°，重新预设计微柱结构表面的几何参数；第四步，计算微柱结构表面的临界高度计算预设计的微柱结构表面的临界高度值，若预设计的微柱高度大于临界高度值，则通过Fluent软件从静态躺滴和动态液滴撞击回弹两个方面判断液滴能否维持稳定的Cassie状态，如果液滴维持稳定的Cassie状态，进行第五步，如果液滴不维持稳定的Cassie状态，则重复步骤三；若预设计的微柱高度小于临界高度值，则重复步骤三；第五步，根据预设计微柱结构表面的几何参数制备微柱结构表面，进行实验验证，测试其超疏水性及稳定性。