[发明专利]一种光栅结构的稳定超疏水表面设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及超疏水表面设计研究领域，特指一种通过对光栅微结构表面进行接触状态转换的几 何分析实现稳定超疏水表面的设计方法，其适用于光栅结构稳定超疏水表面的可控设计。

背景技术

超疏水现象是水滴在表面表现出大接触角(接触角CA＞150°)的现象，而能够产生超疏水现象 的表面称为超疏水表面。超疏水表面由于其特有的超疏效应，在表面自洁、表面减阻方面具有巨大 的应用前景，目前已受到广泛的关注。

超疏水表面实际上是表面进行结构和性质改性处理得到的。液体在超疏水表面上具有两种接触 模式：Wenzel接触模式和Cassie接触模式。1936年，Wenzel提出了Wenzel接触模式，认为液体 与微结构表面接触时，与微结构的凹槽形成密切接触，从而分析出Wenzel接触角公式：

cosθ^W＝rcosθ                (1)

其中θ^W为液滴在微结构表面上处于Wenzel模式的表观接触角，r为微结构表面的粗糙度因子，是 表面的真实面积与其在水平投影面积之比，θ为液滴在同种材料的光滑表面上的本征接触角。Wenzel 的理论在解释粗糙表面上的较大接触角现象取得了一定的成功，但它无法解释自然界存在的更大接 触角。在这个背景下，Cassie和Baxter在1944年提出了Cassie接触模式，认为液体在表面上与凹 槽内部不发生接触，即超疏水表面与液体的接触界面是由液固接触和液气接触共同构成的复合接触 界面，根据该复合接触界面的特征，得到Cassie接触角公式：

cosθ^C＝fcosθ+f-1            (2)

其中θ^C为液滴在微结构表面上处于Cassie模式的表观接触角，f为表面上突起部分所占表面在水平 投影面积之比。以上两式奠定了超疏水现象的理论基础，但它们并没有回答如何实现超疏水现象以 及如何稳定超疏水现象的问题，而这些问题对超疏水表面的工程应用具有重要意义。

在分析超疏水稳定性方面，美国西北大学的Patankar采用能量法对超疏水稳定性进行了分析， 认为超疏水表面上液滴受到自身重力和外界干扰时，容易发生从Wenzel接触到Cassie接触的不可 逆状态转换。可见，在制备超疏水表面时，需要考虑到表面的超疏水稳定性，使液体在表面上稳定 地存在于Cassie接触模式下。LiW等在2007年通过几何分析方法分析了表面的超疏水现象稳定性， 他们提出了临界深度的概念以解释深度对状态转换的影响，但他们没有深入研究临界深度的计算方 法以及其他因素引起的状态转换，因此他们的研究结果存在一定的局限性。周明等的专利(申请号： 200810019240.1)提出一种通过判断临界深度与结构深度之间的关系来确定微结构上的液体的超疏 水状态转换条件，但他们并没有从液体与微结构壁面之间的几何位置关系角度进行讨论。

光栅结构超疏水表面是一种典型的超疏水表面，在超疏水研究领域得到广泛应用，本专利采用 几何分析方法对光栅结构表面的超疏水状态转换进行分析，从临界深度的角度上修正了周明的方 法，并从液体与微结构壁面之间的位置关系的角度给出超疏水状态转换理论判据，用以设计稳定光 栅结构超疏水表面。

发明内容

本发明的目的是采用几何分析方法得出光栅结构表面的超疏水状态转换的理论判据，实现光栅 结构超疏水表面的稳定设计。

发明的技术方案如下：

一种光栅结构稳定超疏水表面设计方法，其特征在于：首先推导出光栅结构表面的结构参数与 表面的超疏水性能要求之间的关系，根据该关系确定表面的结构参数；再通过液体的工作条件计算 出表面凹槽内部的液面与凹槽壁形成的接触角，同时计算液面最低点到突起顶端的距离；通过计算 的接触角和距离判断液体在表面上所处的状态，若处于Wenzel状态则调整参数，以实现稳定超疏 水性能。

技术方案中，表面的超疏水性能通过接触角予以表征，采用的是Cassie接触状态的接触角，即 通过公式(2)进行计算，其中的f计算公式为：