超疏水表面微结构对其疏水性能的影响及应用

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1、学校代码10530学号200899080051分类号O647.5密级博士学位论文超疏水表面微结构对其疏水性能的影响及应用学位申请人张泓筠指导教师李文教授学院名称材料与光电物理学院学科专业材料科学与工程研究方向超疏水表面与防冰二零一三年五月InfluenceofmicrostructureforsuperhydrophobicsurfacesonsuperhydrophobicityanditsapplicationCandidateZhangHongyunSupervisorProf.LiWenCollegeFacultyofMaterials,OptoelectronicandPhysi

2、csProgramMaterialsScience&EngineeringSpecializationMaterialphysicsandChemistryDegreeDoctorofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateMay,2013湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日

3、期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要摘要浸润性是材料表面的一个重要性质；有关物理化学过程如吸附、润滑、黏合、分散和摩擦等均与表面的浸润性密切相关。近来，受“荷叶效应”的启发而发展起来的超疏水性在自清洁、微流体系统和生物相容性等方面的潜在应用激发了学术界和工业界的

4、广泛兴趣。然而到目前为止，无论是实验研究还是理论研究均达不到使超疏水表面上升到实用化的高度，实验上还没有开发出简易方法制备出经久耐用的超疏水表面；理论上也还未完全揭示超疏水表面的微观润湿机理。就固体表面的润湿及液滴运动而言，Young方程、Cassie方程、Wenzel方程仅仅是对液滴状态的一种静态描述，未能涉及到液滴的运动或接触角滞后的定量描述，也没有深入地建立起表面润湿性能同微观结构之间的定量联系。相关研究者尽管做出过很大努力企图通过热力学方法建模解决固体表面上液滴运动的定量描述问题，但所用方法在数学上大多繁琐难懂且主要倾向于唯像的描述。基于以上研究现状，我们以超疏水表面作为研究对象寻

5、求解决问题的方法，将静态表观接触角(对应于液滴–超疏水表面系统的最小自由能)同运动角(前进、后退接触角及滚动角)联系起来，将超疏水表面的疏水性能同表面的微观结构联系起来。同时，研究发现超疏水表面对于宏观尺度水滴带来的覆冰具有抑制作用；它能延缓结冰时间、减少覆冰量、降低冰块与固体表面的粘附。因而，我们试图将超疏水表面研究成果应用到高压电缆的防冰，并进一步分析超疏水表面的防冰机制和可能实现防冰的方法。纵观整个研究过程，我们主要做了如下系列工作：第一，首先从宏观角度建立起超疏水表面上液滴的静态表观接触角(如Cassie接触角和Wenzel接触角)和动态接触角之间的定量关系。针对接触角滞后定性定量

6、实验，宏观上分析了超疏水表面上液滴运动滞后过程中初始态、预前进态、前进态、预后退态与后退态的表观接触角的变化(静态表观接触角、前进角、后退角)、三相接触线半径的变化、液滴表面自由能的变化等。提出了用于解释超疏水表面上液滴运动的两个新概念，如自由能变化(Changesinfreeenergy)和可用于三维液滴的自由能能垒(Freeenergychange)。第二，针对超疏水表面的疏水性能主要取决于表面的微观结构形貌这一结论，我们分别在Cassie方程、Wenzel方程的基础上讨论了超疏水表面和液滴系统在复合和非复合润湿状态的下润湿性能，通过三维模型的固体份数和粗糙度因子建立起了疏水性能和表面

7、微结构之间的定量关系，并根据微结构参数的变化讨论了超疏水表面性能的变化。(1)针对某些人工和自然超疏水表面的一级微结构，提出了一级柱形微结构模型；将一级柱形微结构表面的疏水性能同方柱的宽度、间距和高度联系起来；I湘潭大学博士学位论文分别针对复合和非复合润湿状态，建立起超疏水表面上液滴的表观接触角(Cassie接触角、Wenzel接触角)、接触角滞后、自由能变化、自由能能垒、粘附功和铺展系数与柱形微结构之间的数学关系。通过