仿生超疏水表面減阻性能的研究進展

徐勝 葉霞 范振敏 陸磊 馮歡

摘? ? 要：超疏水表面能夠降低液體流動阻力，具有良好的減阻性能，在船舶航行、管道運輸和航空飛行等領域具有廣泛的應用前景。首先，闡述超疏水表面潤濕理論和減阻理論;然后，綜述近幾年來對超疏水表面微結構尺寸、形貌以及流體速度等減阻影響因素的研究;最后，介紹超疏水表面制備方法并展望未來超疏水表面應用前景。提出由于涂層類制備超疏水表面方法存在結合力弱的問題，因此，未來通過構建合適的微結構制備持久性能較好的超疏水表面將是可行的。

關鍵詞：超疏水表面;微結構;潤濕理論;減阻理論

中圖分類號：O59? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-7394（2021）02-0049-09

能源問題是困擾人類社會可持續發展的一個重要問題。近年來，人們以節約能源為主要目標，研究了許多節能降耗的方法，其中，減少各類運輸中的表面摩擦阻力損耗就是一個重要研究領域。隨著近代微觀技術的發展，科學家發現仿照荷葉、水黽和豬籠草等生物制備出的表面具有一定的減阻性能，這種表面被稱為超疏水表面，一般是由微納米結構和極低表面自由能物質組成[1]。對于超疏水表面減阻性能[2-11]的研究，在大量的文獻中已有報道;一些學者研究后發現，微結構參數、形貌以及流速等都會對其減阻效果造成一定的影響[12-17]。但是，目前學者們對這些影響因素的機理研究還不全面，在各自的研究中只分析了一部分因素對減阻性能所造成的影響;所以，本文在綜述仿生超疏水表面潤濕理論、減阻機理和減阻影響因素之后，作進一步的比較，從而分析影響超疏水表面減阻性能的因素及其影響程度和規律。

1? ? 超疏水表面潤濕理論

對于潤濕性的研究，最早可以追溯到1805年YOUNG T[18]提出的楊氏方程，如圖1（a）所示。液滴落到組成均勻且光滑的固體表面時，靜態接觸角與固-氣、固-液和液-氣之間的表面張力有關，通過熱力學平衡方程，YOUNG得到其表面的關系

公式：

其中：[θ]表示固-液-氣三相處于穩定時光滑表面的接觸角。當θ<90[°]時，固體表面呈現親水性;當θ>90[°]時，固體表面呈現疏水性;當[θ=90°]時，固體表面介于親水性與疏水性之間。[γsg]、[γsl]和[γlg]分別代表固-氣、固-液和液-氣之間的表面張力。

在生活中，我們所接觸的表面看起來光滑，但實際是粗糙的，因此楊氏方程的使用會存在很大誤差。考慮到這種情況，1936年，WENZEL R N[19]引入粗糙因子[r]對Young方程進行修正，如圖1（b）圖所示，液體與固體表面完全接觸，固-液實際接觸面積大于表觀接觸面積。通過計算，得到接觸角關系公式：

其中：[θw]表示Wenzel狀態下的表觀接觸角;θ表示Young模型中的本征接觸角;粗糙因子[r]為固-液實際接觸面積與表觀接觸面積之比。由于固體表面的粗糙因子[r]>1，因此，在Wenzel模型中，增加表面粗糙度，將會使親水表面更加親水，疏水表面更加疏水。

CASSIE和BAXTER[20]在研究疏水表面時發現，液滴滴落到疏水表面時，接觸面凹坑內的氣體不會被全部排除，在該狀態下，如果繼續使用Wenzel方程將會存在很大的誤差。因此，提出了另一種固體表面潤濕模型，即Cassie-Baxter模型，如圖1（c）圖所示，其接觸角關系式為：

其中：[θc]表示Cassie-Baxter狀態下的表觀接觸角;[f1]和[f2]分別表示固-液接觸處固相和氣相與液體實際接觸面積之比（[f1+f2=1]）;[θ1]和[θ2]分別表示液體在固體和氣體表面的本征接觸角。一般水與空氣的接觸角為180[°]，則式（3）簡化可得：

Wenzel狀態下，液體與凹坑內表面完全接觸，液體的粘性較高;而Cassie狀態下，由于凹坑內存在氣體，固-液接觸面積減小，液體的粘性減小。一般情況下，通過修飾低表面能物質后，一些接觸面會從Wenzel狀態轉化為Cassie狀態，而且如果在Wenzel狀態越親水，那么在轉為Cassie狀態時所得到的接觸角越大。劉晨華等人[21]在對納秒激光加工微結構表面性能研究中發現，接觸面氧化物的含量會影響其潤濕性，氧化物的形成會增強親水性，并且經過涂層處理后，潤濕性會由親水特性轉變為疏水特性。

通常，接觸角大小能反應固體表面疏水性能，但AMIRFAZLI A等人[22]的研究表明，僅用靜態接觸角是不能夠反映出固體表面的動態潤濕特性的;因此，還需要通過滾動角和接觸角滯后這兩者來共同衡量物體的動態潤濕特性。這時，需將接觸角分為前進接觸角和后退接觸角：前進接觸角指的是固-液界面將產生，而氣-液界面將消失時形成的接觸角;后退接觸角指的是氣-固界面將產生，而固-液界面將消失時的接觸角。接觸角滯后[23]是指固體表面存在粗糙不平或者成分組成不均勻，使得接觸角并非唯一的值，而是在相對穩定的兩個角度之間變化的現象。滾動角是指液滴在表面即將發生滾動但尚未滾動時，傾斜表面的水平角度[α]。如圖2所示，水滴在傾斜表面將要滾落的臨界狀態的角度即為滾動角。

2? ? 超疏水表面減阻理論

2.1? 滑移減阻理論

在減阻技術的研究中，由Navier提出的滑移理論[24]是一種得到普遍認可的用來評判減阻效果的理論。如圖3所示，對于理想情況，液體流經超疏水表面，其速度在速度場垂直方向不會發生改變。而在實際情況中，一般靠近壁面的流速為0，存在著較大的粘性阻力;而在有超疏水微結構的表面，可以明顯看到在靠近壁面處的流速已經不為0，粘性阻力減小。如果延伸沿著速度梯度方向的法線到速度為0處，所延伸的長度就稱為滑移長度[s]，那么，壁面速度[v]的公式推導為：

在LEE C等人[26]176的研究中，通過微型PIV測量出流經微結構表面的速度場，發現在高雷諾數下，微結構表面幾乎沒有減阻效果。在RASTEGARI A等人[46]的研究中，模擬湍流中高雷諾數情況下超疏水表面的減阻特性和可持續性界限，結果表明：減阻的大小不僅與表面微結構的幾何形狀和大小有關，還與雷諾數有關;一定條件下，隨著雷諾數的增加，超疏水表面減阻效果增強。在DANIELLO R J等人[47]的研究中，選用PDMS通過光刻技術制備微結構表面，研究發現：在層流狀態下沒有滑移速度出現，而在湍流狀態下滑移速度出現，且隨著雷諾數的增加而增加，減阻效果也越好。李小磊等[48]分別使用激光加工、自組裝技術和化學涂覆技術在Si基底上加工出親水壁面、疏水壁面和超疏水壁面，然后將所得壁面兩兩組合在微通道的上下壁面，得到滑移速度偏向于更疏水一面的結論。由以上研究發現：在一般情況下，隨著流體速度的增大，超疏水表面和光滑表面所產生的阻力也加大;當流體速度達到一定值時，層流變為湍流，而超疏水表面可以延緩層流變為湍流的過程，即需要比光滑表面更大的流體速度才能使流動狀態從層流變為湍流。

4? ? 超疏水表面制備

超疏水表面是由微納米復合結構和極低的表面自由能組成的，這就決定了制備超疏水表面的方法應圍繞以下三種：（1）在固體表面覆蓋一層低表面自由能物質;（2）在固體表面構建合適的微納米復合結構;（3）使合適的微納米復合結構與合適的表面自由能組合。目前，已有的制備方法包括激光刻蝕法[49]、化學氣相沉積法[50]、模板印刷法[51]和溶膠凝膠法[52]。化學氣相沉積法難以保證微結構形貌，可控性較差;模板印刷法可在聚合物表面加工出微結構，但不宜在金屬表面加工;溶膠凝膠法制備出的微結構表面與基體結合力弱;激光刻蝕法對于微結構形貌可控，雖然不適合在大物體表面加工，但可以通過設計合適的激光設備來彌補這一缺陷，未來可期。然而，以上方法所制備的微結構表面，一般耐久性能比較差，往往經過短時間的使用其表面微結構就會被破壞，從而失去超疏水特性。近年來，王德輝等人[53]研究了在硅片、陶瓷、金屬、玻璃等普適性基材表面，利用光刻和冷/熱壓等微細加工技術，加工倒四棱錐微腔陣列結構。經過不銹鋼刀片的反復刮擦，鎧甲化表面表現出對垂直載荷和剪切力良好的抵抗能力，且填充在微結構內部的納米材料完好無損，展現了超疏水表面非凡的應用潛力。

5? ? 結語與展望

超疏水表面因其良好的減阻性能，未來在水下航行、管道運輸和空中航行等需要減少固-液摩擦阻力的領域有著廣泛的應用前景。由于目前涂層類制備超疏水表面依舊存在涂層結合力弱、耐用性差等問題，因此，制備耐磨損、耐使用超疏水表面將會是一個重要的研究方向。此外，影響超疏水微結構表面減阻效果的因素有很多，需要將多種因素結合在一起考慮，建議采用正交實驗方法或其他多種因素的處理方法。可通過實驗和模擬方法選出影響最大的因素，并綜合各因素找出減阻效果較好的參數和形貌;然后，在此微結構參數和形貌下進行微結構深度、寬度和間距的單一變量變化實驗和模擬，最終得到減阻效果較好的超疏水微結構表面。

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