抗冷凝失效的水下超疏水表面微纳复合结构及制备方法

本发明涉及超疏水材料，特别地涉及一种抗冷凝失效的水下超疏水表面微纳复合结构及制备方法。

背景技术：

1、超疏水表面因其在防污、防金属腐蚀和海洋生物黏附、流体管道减阻、化工传热传质和生物医学等领域的优异性能而日益受到关注。构筑超疏水表面的关键在于微纳结构的设计和低表面能材料的使用。微纳结构为超疏水表面提供了可锁住空气的受限空间，而低表面能物质则避免了液体浸润到结构内部。由于微纳结构的存在，超疏水表面能够保持大比例的气液界面，使流体在表面具有优异的流动性。然而，由于很多外界因素如压力等的存在，结构内的这种气层往往不稳定，进而限制了超疏水表面在实际工况中的应用。对于气层的热力学稳定性(气层被水取代)，目前的研究尚不充分。超疏水表面在空气介质中的传热传质方面有很好的应用，但在诸多工况下，特别是水下系统，虽然超疏水表面在比如水下隔热、船体防腐蚀、水下航行器减阻和热流体输运等领域具有巨大的应用前景，气层的热力学不稳定却严重限制了其有效寿命。蒸汽冷凝作为一个典型的相变过程，广泛的存在于自然现象和工业生产中，尤其当超疏水表面在水下环境中使用时，其高湿度的结构内无法避免冷凝的发生。

2、近年来，通过构筑多级结构提高气液界面的稳定性，或通过水相气体饱和度的调控来限制气层内气体扩散以提高气层稳定性。然而这些举措仅适用于气液界面由外而内的维稳模式，却无法抵抗水下超疏水表面结构内冷凝引起的由内而外的气层失稳。

3、上述表明，水下超疏水表面往往会因其微纳结构内的水蒸气冷凝引发气层逃逸，导致表面由于浸润而丧失超疏水性能，在水下环境中需要一种全新的设计来主动运输冷凝液滴排出，从而保证超疏水表面的可持久使用性。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种抗冷凝失效的水下超疏水表面微纳复合结构，基底上包括微结构和纳米结构，其中微结构的倾斜角度为30～70°；微结构的宽度为30～250μm；纳米结构位于微结构表面，纳米结构的粒径为10～80nm；间距为30～60nm；深度为90～180nm；微结构和纳米结构形成微纳复合结构，纳米结构的厚度为5～20μm。

2、优选地，微结构包括具有一定倾斜角度、深度、宽度的倒四棱锥结构、正四棱锥结构、柱状结构、条状结构中的至少一种。

3、优选地，基底包括金属、合金、硅片、或玻璃的至少一种。

4、优选地，倒四棱锥结构的截面为梯形时，梯形的下底长度为上底长度的一半。

5、优选地，微结构的单凹结构顶端具有对纳米结构限位的凸缘。

6、优选地，凸缘的宽度与微结构侧面的纳米结构厚度相同。

7、本申请还涉及一种抗冷凝失效的水下超疏水表面微纳复合结构制备方法，包括以下步骤：

8、s1、采用软材料复形或者刻蚀工艺，在基底上制备具有一定倾斜角度、深度、宽度的倒四棱锥结构、正四棱锥结构、柱状结构或条状结构，形成微结构；

9、s2、利用具有不同形状的选择高分子或者无机粒子作为纳米结构的构筑单元，通过喷涂、化学气相沉积、蒸镀、化学氧化或离子束刻蚀的方法在微结构表面制备出一定高度、粒径、间隔的圆锥形、片形或者分形纳米结构；纳米结构与微结构构成微纳复合表面；

10、s3、将微纳复合表面浸泡于全氟十二烷硫醇的乙醇溶液中一段时间，取出后去离子水冲洗，氮气吹干；

11、s4、使用刀片对微纳复合表面来回刮涂，再用大分子量的亲水聚乙二醇固体来回摩擦，制得具有亲疏微纳复合结构的表面。

12、优选地，离子束刻蚀的步骤包括：将精细抛光的金属样品在丙酮中超声清洗，随后放置在电移台上，使用皮秒激光系统进行表面刻蚀；将精细抛光的金属样品在丙酮中超声清洗，随后放置在电移台上，使用皮秒激光系统进行表面刻蚀；激光脉冲的中心波长为1064nm，重复频率为597.44khz，最大功率为65.4w；通过编程控制激光束扫描轨迹，以3m/s的速度重复扫描；使用100mm场透镜聚焦激光束，激光光斑直径约为30μm。

13、优选地，化学氧化的步骤包括：将样品置于管状炉中，在所制备的微结构表面生长纳米线；管状炉被编程以3℃/min的升温速率升温，然后在480±5℃稳定2小时；管状炉的石英管对实验室大气开放，使样品在固定空气中氧化；热处理结束后，关闭炉温，待炉温降至30℃以下时取出样品。

14、优选地，化学气相沉积的步骤包括：利用蜡烛灰纳米颗粒，通过化学气相沉积的方法在微结构表面上制备出一定高度、粒径、间隔的圆锥形或者分形纳米结构；其中，纳米结构的粒径为10～80nm；间距为30～60nm；深度为90～180nm；微纳复合结构的协调在于纳米结构的厚度为5～20μm。

15、上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

16、本发明提供的抗冷凝失效的水下超疏水表面微纳复合结构及制备方法，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：

17、1.微米结构的主要作用是提供稳定的气液界面和气层，同时适当尺寸的微米结构有利于合并后的冷凝液滴及时与气液界面接触并快速排出。

18、2.纳米结构的主要作用是控制冷凝液滴的成核生长过程，且使冷凝液滴长大后只停留在结构顶部而使其保持稳定的cassie态和低黏附特性。

19、3.通过在微腔内复合圆锥形、片形或分形纳米结构，降低微米结构内冷凝液滴的黏附；利用仿生连续亲疏微米结构提供稳定的气液界面及充足的气穴，防止因单个腔室失效引起的表面超疏水性整体失效；并利用与微腔结构的协同作用将聚集的冷凝水快速排出，提出了一种抵抗水下超疏水表面结构内冷凝引起的由内而外的气层失稳的微纳复合结构表面的制备方法。

技术特征：

1.一种抗冷凝失效的水下超疏水表面微纳复合结构，其特征在于，基底上包括微结构和纳米结构，其中微结构的倾斜角度为30～70°；微结构的宽度为30～250μm；纳米结构位于微结构表面，纳米结构的粒径为10～80nm；间距为30～60nm；深度为90～180nm；微结构和纳米结构形成微纳复合结构，纳米结构的厚度为5～20μm。

2.根据权利要求1所述的抗冷凝失效的水下超疏水表面微纳复合结构，其特征在于，微结构包括具有一定倾斜角度、深度、宽度的倒四棱锥结构、正四棱锥结构、柱状结构、条状结构中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的抗冷凝失效的水下超疏水表面微纳复合结构，其特征在于，基底包括金属、合金、硅片、或玻璃的至少一种。

4.根据权利要求2所述的抗冷凝失效的水下超疏水表面微纳复合结构，其特征在于，倒四棱锥结构的截面为梯形时，梯形的下底长度为上底长度的一半。

5.根据权利要求1所述的抗冷凝失效的水下超疏水表面微纳复合结构，其特征在于，微结构的单凹结构顶端具有对纳米结构限位的凸缘。

6.根据权利要求5所述的抗冷凝失效的水下超疏水表面微纳复合结构，其特征在于，凸缘的宽度与微结构侧面的纳米结构厚度相同。

7.一种抗冷凝失效的水下超疏水表面微纳复合结构制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的抗冷凝失效的水下超疏水表面微纳复合结构制备方法，其特征在于，离子束刻蚀的步骤包括：将精细抛光的金属样品在丙酮中超声清洗，随后放置在电移台上，使用皮秒激光系统进行表面刻蚀；将精细抛光的金属样品在丙酮中超声清洗，随后放置在电移台上，使用皮秒激光系统进行表面刻蚀；激光脉冲的中心波长为1064nm，重复频率为597.44khz，最大功率为65.4w；通过编程控制激光束扫描轨迹，以3m/s的速度重复扫描；使用100mm场透镜聚焦激光束，激光光斑直径约为30μm。

9.根据权利要求7所述的抗冷凝失效的水下超疏水表面微纳复合结构制备方法，其特征在于，化学氧化的步骤包括：将样品置于管状炉中，在所制备的微结构表面生长纳米线；管状炉被编程以3℃/min的升温速率升温，然后在480±5℃稳定2小时；管状炉的石英管对实验室大气开放，使样品在固定空气中氧化；热处理结束后，关闭炉温，待炉温降至30℃以下时取出样品。

10.根据权利要求7所述的抗冷凝失效的水下超疏水表面微纳复合结构制备方法，其特征在于，化学气相沉积的步骤包括：利用蜡烛灰纳米颗粒，通过化学气相沉积的方法在微结构表面上制备出一定高度、粒径、间隔的圆锥形或者分形纳米结构；其中，纳米结构的粒径为10～80nm；间距为30～60nm；深度为90～180nm；微纳复合结构的协调在于纳米结构的厚度为5～20μm。

技术总结一种抗冷凝失效的水下超疏水表面微纳复合结构及制备方法，通过微纳结构之间的协同作用使冷凝水能够主动且及时排出的水下超疏水表面的制备方法，该超疏水表面能够在温差存在下的水下持久使用。该制备方法包括以下步骤：(1)微米结构的制备；(2)纳米结构的制备；(3)微纳复合结构的协调制备；(4)微纳复合超疏水结构的制备；(5)亲疏微纳复合结构表面的制备。本发明通过在微腔内复合圆锥形或分形纳米结构，降低微米结构内冷凝液滴的黏附；利用仿生连续亲疏微米结构提供稳定的气液界面及充足的气穴，防止因单个腔室失效引起的表面超疏水性整体失效；并利用与微腔结构的协同作用将聚集的冷凝水快速排出。技术研发人员：杨金龙,马圆圆,王德辉,邓旭,周昱受保护的技术使用者：电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/1/15