（一） 項(xiàng)目簡介
本項(xiàng)目將CAD三維建模與3D打印結(jié)合，并引入到超疏水功能表面的制備，以獲得不同形狀及特征尺寸的陣列樣品；在功能表面樣品上，完成定向運(yùn)輸、防凍及減阻實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)與性能的表征；建立功能表面液滴滯后過程的瞬態(tài)方程，結(jié)合自由能變化與全局自由能能壘，構(gòu)建液滴滯后與表面結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)，明晰表面潤濕機(jī)理。旨在提高功能表面制備效率、降低成本、改善液滴各向異性可控性，獲得具有理想超疏水性能的陣列結(jié)構(gòu)類型與參數(shù)。
（二） 研究目的
超疏水功能表面是人們仿照自然界生物體表面（如荷葉、水黽等，圖1）制備的一種具有特殊浸潤性的智能可控潤濕性表面[1]，可實(shí)現(xiàn)表面自清潔、腐蝕防護(hù)、油水分離、以及液體收集等功能，并且廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、生物、微機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域。然而，在超疏水功能表面制備與潤濕機(jī)理的研究中，存在一些亟待解決的問題。其中，現(xiàn)有的制備方法存在各自的缺點(diǎn)，例如，電火花切割、激光刻蝕的效率低、成本高；電化學(xué)刻蝕及沉積難以加工出高徑比較大的柱狀陣列；氧化法只適用于金屬基體的超疏水改性；熱壓印對表面陣列結(jié)構(gòu)的尺寸有要求，難以保證高尺寸精度；活性聚合物自組裝法的條件苛刻，制備時(shí)間長。而在潤濕機(jī)理的研究中，現(xiàn)有的理論模型對于超疏水表面的潤濕機(jī)理解釋具有一定的局限性，不能確定前進(jìn)角和后退角，無法完美的解釋滯后，且實(shí)際表面對應(yīng)的接觸角也并非唯一。因此，開發(fā)高效、低成本、環(huán)境友好的制備技術(shù)，闡明表面的潤濕機(jī)理，研究表面結(jié)構(gòu)的幾何形貌與表面浸潤性的定量關(guān)系，提高其可控性、強(qiáng)度和持久性，一直是超疏水功能表面研究的熱點(diǎn)。
基于此，本項(xiàng)目在超疏水功能表面的制備中，結(jié)合CAD三維建模與3D打印技術(shù)，獲得具備不同形狀及特征尺寸的陣列樣品；完成定向運(yùn)輸、防凍及減阻實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)與性能表征，研究超疏水結(jié)構(gòu)陣列參數(shù)對其表面性能的影響規(guī)律；建立功能表面液滴滯后過程的瞬態(tài)方程，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合自由能變化與全局自由能能壘，構(gòu)建液滴滯后與表面結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)，明晰功能表面的潤濕機(jī)理。項(xiàng)目的研究，旨在提高超疏水功能表面的制備效率、降低成本、改善液滴各向異性可控性，獲得具有理想超疏水性能的陣列結(jié)構(gòu)類型與參數(shù)。該項(xiàng)目的研究，對于推動超疏水功能表面的高效、低成本制備以及工程應(yīng)用，具有一定的科學(xué)意義與工程價(jià)值。
 
(a) (b)
 
(c) (d)
圖1 自然界中的超疏水現(xiàn)象[1]：(a)、(b) 不沾水的荷葉，(c)、(d) 水面上健步如飛的水黽。
（三） 研究內(nèi)容
本項(xiàng)目主要研究內(nèi)容在于：
1. 超疏水結(jié)構(gòu)陣列參數(shù)對其表面性能影響規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究
首先采用3D打印技術(shù)，結(jié)合CAD三維建模，制備不同形狀及特征尺寸的超疏水結(jié)構(gòu)陣列；然后采用Never wet噴霧對樣品進(jìn)行低表面能處理得到超疏水性能；通過對超疏水功能表面的組織結(jié)構(gòu)、能量變化、潤濕程度等進(jìn)行表征，從實(shí)驗(yàn)上明晰超疏水結(jié)構(gòu)陣列參數(shù)對其表面性能的影響規(guī)律。
2. 液滴在超疏水結(jié)構(gòu)陣列表面滯后過程的理論分析
選取液滴在超疏水表面滯后過程中關(guān)鍵性的五個(gè)狀態(tài)（初始態(tài)、預(yù)前進(jìn)態(tài)、前進(jìn)態(tài)、預(yù)后退態(tài)、后退態(tài)）作為研究對象，用靜態(tài)研究方法描述液滴的滯后過程；通過上述研究，經(jīng)簡化和統(tǒng)計(jì)，構(gòu)建用于描述超疏水表面上液滴滯后過程的瞬態(tài)方程，以確定超疏水表面性能與結(jié)構(gòu)陣列參數(shù)的聯(lián)系。
3. 不同應(yīng)用條件下超疏水性能分析與潤濕機(jī)理揭示
通過對超疏水表面能量及粗糙度變化的分析，進(jìn)一步修正瞬態(tài)方程，建立超疏水表面定向運(yùn)輸、防冰、減阻性能與結(jié)構(gòu)陣列參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，揭示不同應(yīng)用條件下超疏水結(jié)構(gòu)陣列表面性能的潤濕機(jī)理，得到具有最佳超疏水性能的結(jié)構(gòu)陣列參數(shù)。
（四） 國、內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)
對超疏水功能表面的研究，目前主要集中在超疏水功能表面的制備方法、潤濕機(jī)理以及工程應(yīng)用等方面。
在超疏水功能表面制備方面，除傳統(tǒng)的電火花切割、熱壓印等方法以外，研究者們也嘗試采用其它方法完成表面制備。其中，Wu等[2]在不銹鋼基體上通過飛秒激光技術(shù)加工出微米級錐狀結(jié)構(gòu)，再通過水熱法在表面生成了一層ZnO薄膜降低了表面能從而加工出超疏水表面，接觸角為160°左右。Nakajima 等[3-4]利用溶膠—凝膠的方法制備薄膜，經(jīng)氟硅烷修飾后，液滴在表面的接觸角大于150°，具有良好的超疏水特性。Setchi等人[5]采用化學(xué)氣相沉積的方法在鋼材表面制備出具有超疏水特性的碳納米管層，接觸角可達(dá)167°且滾動角很小。Wu等人[6]采用電化學(xué)腐燭的方法，制備出納米棒陣列。經(jīng)過修飾后，該表面對水以及包括原油在內(nèi)的多種液體具有不浸潤性，接觸角都在150°之上，具有良好的雙疏特性。Zhao等人[7]釆用層層吸附法制備出具有粗糙結(jié)構(gòu)的二氧化硅小球薄膜，經(jīng)過低表面能物質(zhì)修飾后，接觸角大于150°，接觸角滯后小于10°，顯示出良好的疏水性。Luo等人[8]利用聚合物／(溶劑-非溶劑)的相分離過程制備出了具有超疏水性能的聚丙烯（PP）薄膜，其與水的接觸角可高達(dá)160°±2°。
 
圖2 飛秒激光加工錐狀結(jié)構(gòu)[2] 圖3 溶膠—凝膠制備薄膜[3]
 
圖4 化學(xué)氣相沉積制備超疏水陣列[5] 圖5 電化學(xué)刻蝕超疏水陣列[6]
在潤濕機(jī)理方面，早在1805年，英國物理學(xué)家托馬斯·楊針就針對理想剛性光滑表面提出了著名的Young方程[9]，為研究固體表面潤濕行為奠定了理論基礎(chǔ)。但由于托馬斯·楊在提出楊氏理論時(shí)并未考慮到粗糙結(jié)構(gòu)的存在，所以在同一固體表面的表觀接觸角與 Young方程計(jì)算的本征接觸角會出現(xiàn)一定差異。為此，1936年Wenzel[10]對楊氏方程進(jìn)行了修正并提出“粗糙度因子(roughness factor)”概念。但隨后Cassie和Baxter[11]發(fā)現(xiàn)當(dāng)固體表面由不同種類化學(xué)物質(zhì)組成時(shí)，Wenzel方程是不適用的。于是提出了“復(fù)合接觸”的概念，建立了一種新模型— —Cassie模型以描述復(fù)合浸潤狀態(tài)。此后，Jopp[12]等經(jīng)過細(xì)致的研究發(fā)現(xiàn)：固體表面粗糙結(jié)構(gòu)的改變也可以導(dǎo)致固體表面的潤濕狀態(tài)在 Wenzel 模型和 Cassie 模型之間轉(zhuǎn)變。而且，許多情況下中等大小的接觸角可出現(xiàn)在復(fù)合潤濕狀態(tài)中，這意味著復(fù)合和非復(fù)合兩種潤濕狀態(tài)在同種特殊的表面上能夠共存[13-14]。因而在兩種潤濕狀態(tài)之間可能存在一種過渡類型的潤濕狀態(tài)。隨后 Patankar[13]結(jié)合過渡態(tài)模型，研究了 Cassie狀態(tài)向Wenzel狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程。Li等[15-16]從熱力學(xué)角度出發(fā)，理論上證明了過渡態(tài)的不穩(wěn)定性，最終將轉(zhuǎn)變?yōu)榉菑?fù)合或復(fù)合態(tài)。
 
(a) (b)
圖6 (a) Wenzel模型示意圖，(b) Cassie-Baxter模型示意圖
在工程應(yīng)用方面，Zhang等人[17-18]通過研究發(fā)現(xiàn)，在相同的加速激勵(lì)下，經(jīng)過超疏水處理的金屬針在水中的運(yùn)動速度是只經(jīng)過疏水處理表面金屬針的1.7倍，可以從側(cè)面顯示出超疏水界面可以降低液體和固體相對運(yùn)動時(shí)的阻力。Sun等人[19]釆制備銅基底特殊潤濕性膜，實(shí)現(xiàn)了對水和油混合物的有效分離。Zhang等人[20]在銅基底表面制備出具有優(yōu)異的超疏水性和很低的粘著性的結(jié)構(gòu)，使其有望在熱交換器或低溫運(yùn)行設(shè)備等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。Byon等人[21]釆用等離子體刻蝕的方法制備出具有超疏水性能的噴嘴。由于該噴嘴對液滴的粘附力比較小，可以有效的控制靜電噴涂過程當(dāng)中液滴噴涂的均勾性。Seo等人[22]在超疏水微納米線的陣列表面構(gòu)建出具有超疏水性的溝壑，通過此溝壑引導(dǎo)液滴在表面上的運(yùn)動。Morita[23]等人采用光刻法制備了各向異性陣列表面，證明了化學(xué)結(jié)構(gòu)對各向異性的潤濕性存在很大影響，實(shí)現(xiàn)了無損定向運(yùn)輸。Huang[24]等人采用電化學(xué)刻蝕法制備了各向異性超疏水表面，解決了高溫下液體定向運(yùn)輸?shù)膯栴}；Rustem[25]等人提出了活性聚合物自組裝的方法制備各向異性超疏水表面，液滴可按設(shè)計(jì)路線實(shí)現(xiàn)無損定向運(yùn)輸。Song[26]等人通過熱壓印制備出了具有微溝槽結(jié)構(gòu)的功能表面，實(shí)現(xiàn)了液滴在各向異性超疏水表面的定向流動。
     
圖7 油水分離示意圖[21]
  
圖8 結(jié)冰實(shí)驗(yàn)圖[22]
  
圖9 無損定向運(yùn)輸圖[24]
綜上所述，目前廣大學(xué)者針對超疏水功能表面的制備、潤濕機(jī)理以及工程應(yīng)用等方面開展了很多工作，并取得一定成果。但遺憾的是，有以下三個(gè)問題沒有得到很好的解決：其一，在表面制備中，難以制備出特殊結(jié)構(gòu)與形貌的試樣，部分制備方法的條件苛刻，制備時(shí)間長、效率低、成本高；其二，在潤濕機(jī)理的研究中，表面結(jié)構(gòu)的幾何形貌、尺寸與表面的浸潤性，尤其是與滯后直接相關(guān)的定量關(guān)系有待建立與明晰；其三，在工程應(yīng)用研究中，超疏水功能表面的可控性、強(qiáng)度及持久性有待提高，其結(jié)構(gòu)陣列參數(shù)還需進(jìn)一步優(yōu)化。
參考文獻(xiàn)：
[1] 趙寧, 盧曉英, 超疏水表面的研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)進(jìn)展, 2007, 19(6):861-871.
[2] 吳勃, 周明, 李保家, 等. 飛秒激光結(jié)合水熱法制備不銹鋼高粘附超疏水表面[J]. 功能材料, 2013(24):3658-3662.
[3] Nakajima A, Abe K, Hashimoto K, et al. Preparation of hard super-hydrophobic films with visible light transmission [J]. Thin Solid Films, 2000, 376(1): 140-143.
[4] 胡小娟 劉嵐. 溶膠-凝膠法制備超疏水PMHS—SiO2涂膜[J]. 材料研究學(xué)報(bào), 2010, 3:266-272.
[5] Setchi S, Dhinojwala A, Langmuir, 2009, 25, 4311.
[6] Wu WC, Wang XL, Wang DA, Commun, 2009, 1043.
[7] Zhao Y, Tang YW, Wang XG, Appl. Surf. Sci, 2010, 256, 6736.
[8] 羅榮 徐軍. 相分離法制備超疏水聚丙烯的研究[J]. 現(xiàn)代化工, 2010, 8:52-55.
[9] Young T. An essay on the cohesion of fluids [J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1805, 95: 65-87.
[10] Wenzel R N. Resistance of solid surfaces to wetting by water [J]. Ind Eng Chem, 1936, 28(8): 988-994.
[11] Cassie A B D, Baxter S. Wettability of porous surfaces [J]. Trans Faraday Soc, 1944, 40: 546-551.
[12] Jopp J, Grüll H, Yerushalmi-Rozen R. Wetting behavior of water droplets on hydrophobic microtextures of comparable size [J]. Langmuir, 2004, 20(23): 10015-10019.
[13] Patankar N A. Transition between superhydrophobic states on rough surfaces [J]. Langmuir, 2004, 20: 7097-7102.
[14] Koishi T, Yasuoka K, Fujikawa S, et al. Coexistence and transition between Cassie and Wenzel state on pillared hydrophobic surface [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2009, 106(21): 8435-8440.
[15] Li W, Amirfazli A. A thermodynamic approach for determining the contact angle hysteresis for superhydrophobic surfaces [J]. J Colloid Interf Sci, 2005, 292(1): 195-201.
[16] Fang G, Li W, Wang X, et al. Droplet motion on designed microtextured superhydrophobic surfaces with tunable wettability [J]. Langmuir, 2008, 24: 11651-11660.
[17] Dixon T. K. Kwok, Huaiyu Wang, Yumei Zhang. ChuEffects of long pulse width and high pulsing frequency on surface superhydrophobicity of polytetrafluoroethylene in quasi-direct-current plasma immersion ion implantation [J]. Journal of Applied Physics ,2009, 105, 053302.
[18] 李小磊, 馬曉雯. 表面潤濕性對微通道界面減阻特性的影響[J].表面技術(shù), 2017, 6: 42-48.
[19] 孫曉哲, 于志家. 油水乳化液在疏水復(fù)合涂層網(wǎng)膜上破乳分離的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào),2013, 5:910-914.
[20] 張友法, 余新泉. 超疏水低粘著銅表面制備及其防覆冰性能[J]. 物理化學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 5(26):1457-1462.
[21] Byon C, Nam Y, Kim SJ. Appl. Phys.2010, 107, 066102.
[22] Seo J, Lee S, Lee J. ACS. Appl. Mater. Interfaces, 2011, 3, 47.
[23] Morita M, Koga T, Otsuka H, et al. Macroscopic-Wetting Anisotropy on the Line-Patterned Surface of Fluoroalkylsilane Monolayers. Langmuir, 2005, 21 (3): 911-918.
[24] Shuai Huang, Shaohui Yin, Fengjun Chen, Hu Luo, Qingchun Tang, Jinlong Song. Applied Surface Science. 2018,(428):432-438.
[25] Rustem F. Ismagilov Dr. Alexander Schwartz Dr. Autonomous Movement and Self‐Assembly. Angewandte chemie. 2002, 4:652-654.
[26] Jinlong Song, Mingqian Gao, Changlin Zhao, Yao Lu, Liu Huang, Xin Liu, Claire J. Carmalt, Xu Deng,and Ivan P. Parkin. Large-Area Fabrication of Droplet Pancake Bouncing Surface and Control of Bouncing State, ACS Nano. 2017, 11: 9259-9267.
（五） 創(chuàng)新點(diǎn)與項(xiàng)目特色
項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)在于：
（1）建立超疏水表面液滴滯后過程瞬態(tài)方程，表征接觸角滯后與表觀接觸角之間的關(guān)系，結(jié)合自由能變化與全局自由能能壘，構(gòu)建表面結(jié)構(gòu)的幾何形貌、尺寸與表面浸潤性之間的關(guān)聯(lián)，為闡明功能表面的潤濕機(jī)理提供新的思路。
（2）表面潤濕性可控：在所建立的瞬態(tài)方程基礎(chǔ)上，通過定向運(yùn)輸、防凍、減阻等實(shí)驗(yàn)，對功能表面的潤濕性能進(jìn)行調(diào)控，快速、高效地篩選出定向運(yùn)輸精準(zhǔn)、防冰性能好、減阻能力強(qiáng)的結(jié)構(gòu)陣列參數(shù)，并對其參數(shù)組合進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)其最佳超疏水性能，為超疏水功能表面的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)與方法。
（六） 技術(shù)路線、擬解決的問題及預(yù)期成果
一、項(xiàng)目的技術(shù)路線
本項(xiàng)目擬采用理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方式，其技術(shù)路線如圖10所示，研究工作按“實(shí)驗(yàn)研究——理論分析——機(jī)理揭示”的思路開展。實(shí)驗(yàn)研究方面：擬采用3D打印制備不同維度、不同形貌尺寸的超疏水結(jié)構(gòu)陣列，采用XRD、SEM、表面粗糙度儀等表征材料的組織結(jié)構(gòu)，采用AFM、高速攝像機(jī)、接觸角儀等測試超疏水表面的力學(xué)、彈跳等性能，以得出最優(yōu)的超疏水結(jié)構(gòu)陣列。理論分析方面：擬采用靜態(tài)研究方法描述液滴的滯后過程，得到用于描述超疏水表面上的液滴滯后過程的瞬態(tài)方程，用于解釋超疏水表面的定向運(yùn)輸性能、防冰性能、減阻性能等。機(jī)理揭示部分：通過對超疏水表面能量及粗糙度變化的分析，進(jìn)一步修正瞬態(tài)方程，建立超疏水表面定向運(yùn)輸、防冰、減阻性能與結(jié)構(gòu)陣列參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，揭示不同應(yīng)用條件下超疏水結(jié)構(gòu)陣列表面性能的潤濕機(jī)理，得到具有最佳超疏水性能的結(jié)構(gòu)陣列參數(shù)。
圖10 項(xiàng)目研究技術(shù)路線圖
具體研究過程如下：
1. 超疏水結(jié)構(gòu)陣列參數(shù)對其表面性能影響規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究
（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，制備不同維度、不同形貌尺寸的超疏水結(jié)構(gòu)。采用三維CAD建模軟件，設(shè)計(jì)出具備不同維度、不同形狀及特征尺寸的超疏水陣列模型，并以此確定樣品的結(jié)構(gòu)與尺寸；接著，使用Superfine3D打印機(jī)制備出所設(shè)計(jì)的超疏水陣列；最后，采用Never wet噴霧對樣品進(jìn)行低表面能處理，使得制備的樣品從親水性轉(zhuǎn)變成超疏水性能，液滴在其表面的接觸角大于150°，具有良好的超疏水自清潔性能。
（2）對制備的超疏水結(jié)構(gòu)陣列進(jìn)行定向運(yùn)輸、防凍、減阻實(shí)驗(yàn)。對同一維度、同一尺寸，但具有不同形貌的超疏水結(jié)構(gòu)在相同條件下分別進(jìn)行彈跳實(shí)驗(yàn)以得出最佳超疏水結(jié)構(gòu)，為定向運(yùn)輸、防凍、減阻實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。在彈跳實(shí)驗(yàn)中，通過分析液滴在陣列上鋪展到最大接觸面積的時(shí)間以及彈跳離開陣列表面所需的時(shí)間等條件來得出具有最佳超疏水性能的形貌結(jié)構(gòu)。確定最佳形貌后，對不同維度、同一尺寸的超疏水結(jié)構(gòu)進(jìn)行定向運(yùn)輸、防凍、減阻實(shí)驗(yàn)，以分析不同維度對超疏水性能的影響。最后，在選擇好最佳形貌和維度后，對不同尺寸的超疏水結(jié)構(gòu)進(jìn)行定向運(yùn)輸、防凍、減阻實(shí)驗(yàn)，以確定具有最佳超疏水性能的結(jié)構(gòu)尺寸。在定向運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)中，通過液滴在所設(shè)計(jì)的陣列結(jié)構(gòu)上定向運(yùn)輸?shù)木珳?zhǔn)度來判斷該陣列定向運(yùn)輸?shù)暮脡?；在防凍?shí)驗(yàn)中，通過反復(fù)的結(jié)冰/融冰實(shí)驗(yàn)分析液滴在不同陣列表面結(jié)冰時(shí)間長短來判斷該陣列防冰性能的好壞；在減阻實(shí)驗(yàn)中，給與液滴同等推力，通過液滴在不通陣列上運(yùn)動的距離以及速度來判斷該陣列減阻性能的強(qiáng)弱。
（3）進(jìn)一步采用XRD、SEM、AFM、表面粗糙度儀、接觸角儀等對不同維度、不同形貌尺寸的陣列進(jìn)行表征分析。
采用XRD分析制備表面的物相組成，將制備樣品與低表面能處理后的樣品進(jìn)行XRD檢測，將兩者之間的物相進(jìn)行對比，分析其樣品從親水性到超疏水性能的轉(zhuǎn)變原因以及分析同種材料下，不同維度、不同形貌尺寸是否對其陣列表面所吸收低表面能噴霧的程度存在影響，是否對其表面物相存在影響；
采用SEM觀察超疏水表面的結(jié)構(gòu)形貌，分析不同陣列表面的微觀表征，以及觀察不同實(shí)驗(yàn)條件前后同一樣品的微觀表征以分析解釋不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果的成因；
采用表面粗糙度儀觀察超疏水表面的粗糙度變化，分析不同陣列表面粗糙度情況，以及觀察不同實(shí)驗(yàn)條件前后同一樣品粗糙度變化，分析不同粗糙度對超疏水表面性能的影響；
采用高速攝像機(jī)組記錄液滴在超疏水表面的動態(tài)過程。在彈跳實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)一步分析出液滴在不同形狀陣列表面的彈跳高度、彈跳指數(shù)等；在定向運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)一步分析液滴在該陣列上的定向運(yùn)輸準(zhǔn)確性以及液滴在該表面的定向運(yùn)輸情況；在防冰實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)一步分析液滴在不同陣列表面的結(jié)冰時(shí)間以及結(jié)冰過程、成核狀態(tài)等；在減阻實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)一步分析液滴從滾動到靜止的時(shí)間以及滾動距離，滾動速度等；
采用接觸角儀觀察計(jì)算前進(jìn)接觸角、后退接觸角以及表觀接觸角之間的關(guān)系，分析不同維度、不同結(jié)構(gòu)形貌尺寸對前進(jìn)接觸角、后退接觸角以及表觀接觸角的影響。同時(shí)分析不同實(shí)驗(yàn)前后前進(jìn)接觸角、后退接觸角以及表觀接觸角之間的變化；
采用AFM測試超疏水表面的力學(xué)性能，以分析液滴在超疏水表面的潤濕性能變化與原子力之間的關(guān)系，來確定其超疏水表面的強(qiáng)度與持久性。同時(shí)分析不同實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)次數(shù)下，同一樣品的表面力學(xué)性能的變化。
（4）在實(shí)驗(yàn)表征基礎(chǔ)上，分析不同超疏水結(jié)構(gòu)陣列參數(shù)對其表面性能影響規(guī)律，為后續(xù)瞬態(tài)方程、結(jié)構(gòu)尺寸、形貌特征等方面的優(yōu)化打下基礎(chǔ)。
2. 液滴在超疏水結(jié)構(gòu)陣列表面滯后過程的理論分析
（1）選取液滴在超疏水表面滯后過程中關(guān)鍵性的五個(gè)狀態(tài)（初始態(tài)、預(yù)前進(jìn)態(tài)、前進(jìn)態(tài)、預(yù)后退態(tài)、后退態(tài)）作為研究對象，用靜態(tài)研究方法描述液滴的滯后過程；研究上述所述液滴的預(yù)前進(jìn)態(tài)、預(yù)后退態(tài)對應(yīng)的前進(jìn)角、后退角的半角正切值與初始態(tài)的平衡表觀接觸角的半角正切值之比，與相應(yīng)兩狀態(tài)的三相接觸線的半徑比之間的關(guān)系；在此基礎(chǔ)上，經(jīng)簡化和統(tǒng)計(jì)得到用于描述超疏水表面上的液滴滯后過程的瞬態(tài)方程。
通過直接方法測試前進(jìn)/后退接觸角，如上所述用微注射器加減液體方法，通過多次試測可確定前進(jìn)或后退接觸角，由此確定接觸角滯后。在前進(jìn)/后退過程中，分析表面自由能變化，即分析預(yù)前進(jìn)態(tài)/與后退狀態(tài)與初始態(tài)之間的液滴–表面系統(tǒng)液–氣界面自由能的變化。通過直接/間接方法測量表觀接觸角，如對鋪展在固體表面上的液滴或氣泡形狀進(jìn)行直接照相，然后通過量角或測高手段從相片上測量接觸角；或者利用毛細(xì)管根據(jù)毛細(xì)液面上升或下降的高度來推算接觸角等。
建立方程表明前進(jìn)或后退接觸角與表觀接觸角以及三項(xiàng)接觸線之間的關(guān)系。針對上述前進(jìn)/后退接觸角實(shí)驗(yàn)，前進(jìn)或后退接觸角是表觀接觸角的極限，是液滴運(yùn)動狀態(tài)臨界點(diǎn)，對應(yīng)于某一瞬時(shí)狀態(tài)，可建立相關(guān)的瞬態(tài)方程。
（2）在微觀層面上，利用 Cassie 方程、Wenzel 方程中的結(jié)構(gòu)因子分別將復(fù)合態(tài)與非復(fù)合態(tài)所對應(yīng)的平衡表觀接觸角與微結(jié)構(gòu)參數(shù)聯(lián)系起來。同時(shí)基于（1）的結(jié)論，利用所建立的瞬態(tài)方程來分析解釋超疏水結(jié)構(gòu)陣列的不同維度、形貌尺寸對其表面性能的影響，并結(jié)合對不同維度、形貌尺寸中組織結(jié)構(gòu)、能量變化、潤濕程度等的分析，進(jìn)一步建立超疏水表面性能與其結(jié)構(gòu)陣列參數(shù)之間的關(guān)系。
針對某些人工和自然超疏水表面的一級微結(jié)構(gòu)，提出一級柱形微結(jié)構(gòu)模型；將一級柱形微結(jié)構(gòu)表面的疏水性能同方柱的寬度、間距和高度聯(lián)系起來；分別針對復(fù)合和非復(fù)合潤濕狀態(tài)，建立起超疏水表面上液滴的表觀接觸角(Cassie接觸角、Wenzel接觸角)、接觸角滯后、自由能變化、自由能能壘、粘附功和鋪展系數(shù)與柱形微結(jié)構(gòu)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。通過比較粘附功和能壘的變化，從數(shù)學(xué)角度解釋液滴運(yùn)動時(shí)所需克服的能壘與固–液界面的潤濕狀態(tài)的關(guān)系，以及三相接觸線附近的接觸狀態(tài)和表面的材料化學(xué)性質(zhì)與固–液界面的潤濕狀態(tài)的關(guān)系。并從數(shù)學(xué)的角度解釋超疏水表面對于凝結(jié)的水分子團(tuán)簇喪失疏水性。
同樣，受荷葉表面二級微結(jié)構(gòu)和仿荷葉表面微結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，我們亦提出仿荷葉的二級微結(jié)構(gòu)柱形模型，通過以上同樣的方式建立起仿荷葉表面的超疏水性能和表面微結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。從結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)量變化解釋二級結(jié)構(gòu)為何能夠有效降低接觸角滯后；并從能壘和粘附功的角度討論超疏水表面上的液滴潤濕狀態(tài)的復(fù)合與非復(fù)合狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。
上述工作完成后，利用分形幾何建模討論了具有不同等級（或多尺度）微結(jié)構(gòu)的超疏水表面的疏水性質(zhì)，提出液滴潤濕狀態(tài)的轉(zhuǎn)換與分形維度的關(guān)系（外界條件相同），以及液滴潤濕狀態(tài)的轉(zhuǎn)換與表面的微觀粗糙度的關(guān)系，并求出用于轉(zhuǎn)換的臨界粗糙度值。
（3）針對固體表面上液滴或液滴滯后現(xiàn)象，利用自由能變化、全局自由能能壘用于解釋液滴的滾動能力，特別是超疏水現(xiàn)象的熱力學(xué)機(jī)制。并利用瞬態(tài)方程將提出的用于解釋超疏水性的自由能變化、全局自由能能壘與表面微納結(jié)構(gòu)參數(shù)聯(lián)系起來。從液滴和表面兩個(gè)方面來描述超疏水性能的獲得。
3. 不同應(yīng)用條件下超疏水性能分析與潤濕機(jī)理揭示
結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果、結(jié)構(gòu)表征以及理論分析，對同一實(shí)驗(yàn)不同結(jié)構(gòu)陣列的超疏水表面以及同一結(jié)構(gòu)陣列表面不同實(shí)驗(yàn)前后能量變化、粗糙度變化進(jìn)行整理，并將其與超疏水表面的潤濕性能聯(lián)系起來，建立超疏水表面定向運(yùn)輸性能、防凍性能、減阻性能與結(jié)構(gòu)陣列參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)；揭示不同超疏水結(jié)構(gòu)陣列表面性能的機(jī)理，得到具有最佳超疏水性能的結(jié)構(gòu)陣列參數(shù)。
（1）將XRD、SEM、AFM、表面粗糙度儀、接觸角儀等實(shí)驗(yàn)設(shè)備在同一實(shí)驗(yàn)不同結(jié)構(gòu)陣列的超疏水表面以及同一結(jié)構(gòu)陣列表面不同實(shí)驗(yàn)所測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。分析實(shí)驗(yàn)前后超疏水表面能量變化以及粗糙度變化的過程，以及分析超疏水表面的不同結(jié)構(gòu)陣列對超疏水表面能量變化以及粗糙度變化的影響。如在同一實(shí)驗(yàn)不同結(jié)構(gòu)陣列的超疏水表面，通過前期采用XRD、表面粗糙度儀等所記錄的數(shù)據(jù)，對不同結(jié)構(gòu)陣列的能量變化和粗糙度變化進(jìn)行對比，得出不同結(jié)構(gòu)陣列與表面能量和粗糙度之間的影響，揭示超疏水表面的結(jié)構(gòu)機(jī)理。
（2）建立結(jié)構(gòu)機(jī)理與超疏水表面潤濕性能之間的內(nèi)在關(guān)系。
在定向運(yùn)輸性能方面，對液滴在不同結(jié)構(gòu)陣列的定向運(yùn)輸準(zhǔn)確性以及定向運(yùn)輸路程和時(shí)間進(jìn)行分析。通過高速攝像機(jī)所記錄的定向運(yùn)輸過程分析液滴的流動穩(wěn)定性，并通過XRD、SEM、AFM、表面粗糙度儀、接觸角儀等研究表面形貌對定向運(yùn)輸?shù)挠绊憽７治鑫⑿〗Y(jié)構(gòu)對液滴所產(chǎn)生阻力、微小結(jié)構(gòu)對液滴產(chǎn)生的表面張力以及每兩個(gè)微小結(jié)構(gòu)之間的間隙中液滴滲入量等與定向運(yùn)輸準(zhǔn)確性、定向運(yùn)輸路程和時(shí)間之間的聯(lián)系，揭示不同超疏水結(jié)構(gòu)陣列表面定向運(yùn)輸性能的機(jī)理。
在防凍性能方面，對液滴在不同結(jié)構(gòu)陣列的結(jié)冰時(shí)間以及防凍持久性進(jìn)行分析。通過高速攝像機(jī)所記錄的結(jié)冰過程分析液滴的結(jié)冰時(shí)間以及成核狀態(tài)，并通過XRD、SEM、AFM、表面粗糙度儀、接觸角儀等研究表面形貌對防凍性能的影響。分析不同溫度下，微小結(jié)構(gòu)與液滴之間的傳熱效率、微小結(jié)構(gòu)在多次破冰/融冰之后的能量損耗、元素變化等與結(jié)冰時(shí)間以及成核狀態(tài)之間的聯(lián)系。同時(shí)，分析微小結(jié)構(gòu)在多次破冰/融冰之后的超疏水表面強(qiáng)度和防凍持久性能的變化。揭示不同超疏水結(jié)構(gòu)陣列表面防凍性能的機(jī)理。
在減阻性能方面，在給與液滴同等推力的情況下，對液滴在不同結(jié)構(gòu)陣列的運(yùn)動路程、時(shí)間以及速度進(jìn)行分析。通過高速攝像機(jī)所記錄的液滴運(yùn)動過程分析液滴的滾動距離和滾動速度，并通過XRD、SEM、AFM、表面粗糙度儀、接觸角儀等研究表面形貌對減阻性能的影響。分析不同陣列的表面粗糙度給液滴帶來的阻力、微小結(jié)構(gòu)本身對液滴產(chǎn)生的阻力、微小結(jié)構(gòu)形狀對液滴產(chǎn)生的表面張力以及每兩個(gè)微小結(jié)構(gòu)之間的間隙中液滴分布情況等與液滴運(yùn)動路程、時(shí)間以及速度之間的關(guān)系，揭示不同超疏水結(jié)構(gòu)陣列表面減阻性能的機(jī)理。
二、擬解決的關(guān)鍵問題
本項(xiàng)目擬解決的關(guān)鍵問題在于：結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)分析，獲得可用于描述超疏水功能表面液滴滯后過程的瞬態(tài)方程，構(gòu)建表面定向運(yùn)輸、防冰、減阻性能與結(jié)構(gòu)陣列參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，獲得最佳超疏水性能的陣列結(jié)構(gòu)，改善表面的可控性、強(qiáng)度及持久性。
三、預(yù)期成果
（1）建立可用于描述超疏水表面液滴滯后過程的瞬態(tài)方程，并利用瞬態(tài)方程來分析解釋不同超疏水結(jié)構(gòu)陣列參數(shù)對其表面性能的影響，建立超疏水表面性能與其結(jié)構(gòu)陣列參數(shù)之間的關(guān)系；
（2）得出具有最佳超疏水性能的結(jié)構(gòu)陣列參數(shù)，并采用3D打印技術(shù)對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行制備，為其在交通運(yùn)輸、微流體裝置、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；
（3）公開發(fā)表2-3篇與立項(xiàng)項(xiàng)目相關(guān)的高水平期刊論文；
（4）申請2-3項(xiàng)發(fā)明專利；
（5）撰寫結(jié)題報(bào)告1份。
（七） 項(xiàng)目研究進(jìn)度安排
2019.04 - 2019.07 進(jìn)一步熟悉3D打印機(jī)的性能，掌握相關(guān)指令代碼的含義和操作步驟，結(jié)合三維CAD軟件完成多種試樣設(shè)計(jì)與制備；
2019.08 - 2020.01 對以制備的超疏水結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究，得到用于描述超疏水表面上的液滴滯后過程的瞬態(tài)方程；
2020.02 - 2020.04 對制備的樣品進(jìn)行定向運(yùn)輸、防冰、減阻實(shí)驗(yàn)，并對其實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行表征分析，以得出具有最佳超疏水性能的結(jié)構(gòu)陣列。
2020.04 - 2020.05 撰寫總結(jié)報(bào)告，完成論文和國家發(fā)明專利的撰寫以及修改。
（八） 已有基礎(chǔ)
一、與本項(xiàng)目有關(guān)的研究積累和已取得的成績
針對本項(xiàng)目，項(xiàng)目組已完成以下工作積累：
1、搜集并閱讀了大量國內(nèi)外關(guān)于超疏水表面制備及其功能應(yīng)用的文獻(xiàn)，并對部分經(jīng)典的外文文獻(xiàn)進(jìn)行翻譯，對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及技術(shù)熱點(diǎn)、難點(diǎn)有了較為全面的了解；
2、學(xué)習(xí)了相關(guān)軟件，為設(shè)計(jì)超疏水表面結(jié)構(gòu)陣列以及后續(xù)分析打下理論基礎(chǔ)；
3、完成了超疏水表面制備以及性能研究試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，以保證超疏水試驗(yàn)的順利開展；
4、針對上述實(shí)驗(yàn)方案，本項(xiàng)目組提前開展了部分實(shí)驗(yàn)工作：
（1）利用有限元軟件Solidworks設(shè)計(jì)了五個(gè)不同形狀的超疏水結(jié)構(gòu)陣列，采用3D打印制備出樣品（如圖11所示）。利用接觸角儀對其接觸角進(jìn)行檢測，并對其進(jìn)行了彈跳實(shí)驗(yàn)（如圖12所示）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：液滴在交錯(cuò)長方體陣列上的接觸面積大于其他陣列，所產(chǎn)生的表面張力較大，彈跳性能最好。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)彈跳指數(shù)與表面接觸時(shí)間成反比，陣列結(jié)構(gòu)形狀不同，相應(yīng)的液滴接觸面積不同；而接觸面積越大，液滴滲入陣列內(nèi)部更為充分，毛細(xì)張力增大，向上的加速度變大，回彈速度加快，液滴與表面接觸時(shí)間縮短。
（2）選取長方體、圓柱兩種具有代表性的結(jié)構(gòu)陣列進(jìn)行各向異性潤濕性實(shí)驗(yàn)（如圖13所示），通過改變長方體結(jié)構(gòu)陣列的間距和寬度以及圓柱陣列的高度差來分析其結(jié)構(gòu)尺寸對各向異性潤濕性的影響（如圖14所示）。結(jié)果表明在長方體結(jié)構(gòu)陣列中，寬度一致時(shí)，液滴在Y方向的滾動角會隨著間距的增大而減小等；在圓柱陣列中，液滴的各向異性潤濕性程度隨相鄰圓柱體高度差的增大趨于顯著。
（3）結(jié)合（2）的結(jié)果，選取長方體和圓柱陣列中最具有代表性的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行定向運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)（如圖15所示），并對液滴流動的準(zhǔn)確性以及滾動時(shí)間進(jìn)行分析。結(jié)果表明：高度差為1mm的圓柱體陣列，及寬度為0.7mm、間距為0.7mm的長方體陣列的定向運(yùn)輸性能最佳，液滴可按照設(shè)計(jì)的路線精準(zhǔn)流動。同時(shí)得出在各向異性超疏水表面中，當(dāng)黏附力大于慣性力，且各向異性潤濕性較為顯著時(shí)，液滴可按所設(shè)計(jì)的路線實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定向運(yùn)輸。
（4）通過上述結(jié)論，本項(xiàng)目組還以長方體結(jié)構(gòu)陣列為基礎(chǔ)，制備了不同形貌尺寸的樣品，用于防凍實(shí)驗(yàn)中。考慮到防凍實(shí)驗(yàn)中樣品和液滴的溫度變化與樣品所處環(huán)境、空氣流動以及樣品的傳熱效率有關(guān)，本項(xiàng)目組將空心磚結(jié)構(gòu)與實(shí)心結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，以研究其空氣流動對超疏水結(jié)構(gòu)表面防凍性能的影響。同時(shí)對所述樣品陣列進(jìn)行接觸角檢測，發(fā)現(xiàn)交錯(cuò)空心磚結(jié)構(gòu)陣列的接觸角明顯大于其他結(jié)構(gòu)陣列，且空心磚結(jié)構(gòu)與實(shí)心結(jié)構(gòu)接觸角基本一致。其余防凍性能還需進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測。
基于上述研究，目前撰寫論文情況如下：
[1] Performance of Anisotropic Sliding Superhydrophobic Surface Fabricated by 3D Printing for Directional Transport.(已投稿RSC Advances，SCI三區(qū))
 
(a) 正六棱柱陣列 (b) 正三棱柱陣列
 
(c) 圓柱體陣列 (d) 正方體陣列
(e) 交錯(cuò)長方體陣列
圖11 試樣實(shí)物圖與SEM圖 (unit:mm)
圖12 液滴彈跳過程
 
(a) 圓柱陣列 (b) 長方體陣列
圖13 各向異性試樣示意圖與實(shí)物圖 (unit:mm)
圖14 試樣表面潤濕性機(jī)理分析
 
(a) 圓柱陣列 (b) 長方體陣列
圖15 液滴定向運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)過程
二、已具備的條件，尚缺少的條件及解決方法
項(xiàng)目申請人所在的長沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院，擁有“現(xiàn)代制造技術(shù)實(shí)驗(yàn)室”、“現(xiàn)代機(jī)械裝備數(shù)字仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)室”和“工程車輛輕量化與可靠性技術(shù)實(shí)驗(yàn)室”等一批湖南省與交通部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，擁有相關(guān)制備和檢測設(shè)備，為本項(xiàng)目的研究工作提供了良好的實(shí)驗(yàn)條件，主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備與檢測設(shè)備如下表所示：
表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備列表
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