CN106807608A - 一种控制液滴弹跳方向的方法及超疏水表面 - Google Patents

一种控制液滴弹跳方向的方法及超疏水表面 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种控制液滴弹跳方向的方法及超疏水表面，将基体表面划分为若干区域，每一个区域构造规则阵列分布微米级柱状结构，通过调节工艺参数，在每一区域内构造出不同密集程度的微米级柱状结构，保证相邻区域的微米级柱状结构密集程度不同或者根据需要各个区域内的微米级柱状结构密度依次减小或者依次增大，即可获得液滴向微米级柱状结构稀疏区域反弹的效果。

Description

一种控制液滴弹跳方向的方法及超疏水表面
技术领域
本发明属于表面处理技术领域，特别涉及一种控制液滴弹跳方向的方法及超疏水表面。制备的可以控制液滴弹跳方向的超疏水表面对促进超疏水表面的工业化应用尤其是冷凝液滴控制领域具有重要的实践意义。
背景技术
仿生超疏水表面(指表观接触角大于150°，滚动角小于10°)因其具有优异的自清洁性、防腐蚀性、流体减阻、防覆冰以及防水性能，在日常生活、公共建筑，乃至国防航空等方面都有着广泛的应用。由于其重要性，各行业、各领域的专家及科研人员都开始加入到这方面的研究和探索中，目的是将仿生学所得到的成果应用到改善人类的生产和生活中去，为大众服务。研究表明，材料表面的疏水特性主要取决于表面自由能及粗糙度，通过表面化学组成与表面微观结构的协同作用，可实现超疏水表面的有效制备。
然而，考虑到超疏水表面潜在的实际应用多是处于动态条件下，即液滴持续地撞击固体表面，大量的小韦伯数(We<10)撞击液滴将首先铺展到最大直径，然后收缩到一定程度并最终弹离表面4，在一定重力的作用下液滴不停地在固体表面弹跳运动。弹跳液滴与固体表面的接触时间被认为是极为重要的，因其直接决定了在实际应用条件下，固-液之间的热量与能量转化程度，而且液滴在弹离固体表面之后的运动方向对超疏水表面的实际应用也具有重要的作用，尤其是在冷凝液滴的手机与控制领域具有重要的研究意义。开展超疏水表面弹跳液滴的方向控制研究具有重要的理论意义和实践作用，实现弹跳液滴按照预先设计的方向运动，对冷凝液滴的收集具有重要的应用意义。
发明内容
本发明的目的在于提出一种控制液滴弹跳方向的方法及超疏水表面，可实现控制超疏水表面弹跳液滴运动方向的目的。
本发明的技术方案如下：
一种控制液滴弹跳方向的方法，将基体表面划分为若干区域，每一个区域构造规则阵列分布微米级柱状结构，通过调节工艺参数，在每一区域内构造出不同密集程度的微米级柱状结构，保证相邻区域的微米级柱状结构密集程度不同或者根据需要各个区域内的微米级柱状结构密度依次减小或者依次增大，即可获得液滴向微米级柱状结构稀疏区域反弹的效果。
所述的方法，包括以下步骤：
1)以硅材料为基体，采用化学机械抛光(CMP)，对硅片分别进行粗抛光、细抛光和精抛光，直至显微镜下观察无明显划痕为止；
2)将硅片表面划分区域，采用光刻与等离子刻蚀加工的方法，在每一个区域构造规则阵列分布微米级柱状结构，通过调节工艺参数，在每一区域内构造出不同密集程度的微米级柱状结构；
3)将步骤2)获得阵列微结构试样置入十七氟硅烷(FAS-17)乙醇溶液中浸渍一定时间后，随后在烘箱中热烘以获得微米级阵列结构超疏水表面。
所述的方法，步骤1)中，基体材料为单晶硅片。
所述的方法，步骤2)中，硅片表面的微柱尺寸为15～30μm、高度为20～30μm。
所述的方法，步骤3)中，采用0.8～1.5wt％十七氟硅烷(FAS-17)乙醇溶液，将硅片放入浸渍20～28h后在120～160℃的烘箱中热烘1.5～2.5h。
根据任一方法获得的超疏水表面，具有较高的超疏水特性，试样表面弹跳液滴在弹离试样表面时，均向表面微柱分布较为稀疏的区域偏离，显示出明显的弹跳液滴的定向运动特性。由于本发明制备的微结构硅片表面，分布不同密集程度的微米级阵列结构，具有一定的粗糙度，在氟化修饰处理后获得显著的超疏水特性。由于其表面微观结构的分布密集程度不同，导致表面撞击液滴能够迅速弹离开试样表面，且总是向试样表面微结构排布较为稀疏的区域偏离，而实现控制弹跳液滴运动方向的目的，如附图2所示。
采用本发明的可控制控制液滴弹跳方向的超疏水表面具有以下特点：
1)制备的规则阵列结构超疏水硅片表面具有较高的超疏水特性，试样表面中心液滴静态表观接触角达到了165°，滚动角仅有3°。
2)制备的超疏水表面具有不同密集程度的微柱阵列结构。
3)试样表面弹跳液滴在弹离试样表面时，均向表面微柱分布较为稀疏的区域偏离，显示出明显的弹跳液滴的定向运动特性。
附图说明
图1为本发明中所制备的硅片表面微柱阵列结构示意图；
图2为本发明中液滴从试样中心滴落撞击硅片表面后的运动情况；
图3为本发明中实施例1的方法所制备的硅片表面静态液滴光学图片。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益结果有更加清楚的理解和认识，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本发明的一种控制液滴弹跳方向的超疏水表面的制备方法如下：
第一步，以单晶硅片(厚度为600μm)为基体材料，将其切割成20mm×20mm大小，利用腊将硅片贴在陶瓷盘上，抛光过程中，将硅片加压于旋转的的抛光布上，同时加入适量的二氧化硅抛光液，抛光直至显微镜下观察无明显划痕。
第二步，采用光刻与等离子刻蚀加工的方法，将硅片表面按“十”字形分成4等分区域，在每一个区域构造规则阵列分布微米级柱状结构，通过调节工艺参数，在每一区域内构造出不同密集程度的微米级柱状结构。根据所需表面微观结构特征制作出相应掩模板，方形区域大小为20μm×20μm，中心间距分别为40μm、60μm、80μm和100μm依次均匀分布在“十”字形4等分区域中。通过显影技术将掩膜板上的规则阵列图形转移到硅片表面，其中光刻胶采用SU-8光刻胶、旋涂厚度为5～10μm、曝光时间为20～40s。随后利用干法等离子刻蚀技术在基体表面实现规则阵列结构的精确加工，加工深度为20μm，最后利用丙酮等有机溶剂将作为光刻阻挡层的光刻胶洗净，实现规则阵列结构的精确加工。
第三步，将上述步骤所获得规则阵列结构硅片置入1wt％十七氟硅烷(FAS-17)乙醇溶液中，浸渍时间为24h，然后在120℃的烘箱中热烘2h，获得含有规则阵列结构的超疏水试样表面。
依照上述实施步骤制备的超疏水试样表面显示出较高的超疏水特性，试样表面中心液滴接触角达到了160°，表面液滴静态光学图片如附图3所示，弹跳液滴初次弹离开试样表面，向微柱阵列结构稀疏区域即微柱中心间距为100μm区域偏离，且偏离的角度达到了5°左右。
实施例2
本发明的一种控制液滴弹跳方向的超疏水表面的制备方法如下：
第一步，以单晶硅片(厚度为600μm)为基体材料，将其切割成20mm×20mm大小，利用腊将硅片贴在陶瓷盘上，抛光过程中，将硅片加压于旋转的的抛光布上，同时加入适量的二氧化硅抛光液，抛光直至显微镜下观察无明显划痕。
第二步，采用光刻与等离子刻蚀加工的方法，将硅片表面按“十”字形分成4等分区域，在每一个区域构造规则阵列分布微米级柱状结构，通过调节工艺参数，在每一区域内构造出不同密集程度的微米级柱状结构。根据所需表面微观结构特征制作出相应掩模板，方形区域大小为20μm×20μm，中心间距分别为50μm、70μm、90μm和110μm依次均匀分布在“十”字形4等分区域中。通过显影技术将掩膜板上的规则阵列图形转移到硅片表面，其中光刻胶采用SU-8光刻胶、旋涂厚度为5～10μm、曝光时间为20～40s。随后利用干法等离子刻蚀技术在基体表面实现规则阵列结构的精确加工，加工深度为20μm，最后利用丙酮等有机溶剂将作为光刻阻挡层的光刻胶洗净，实现规则阵列结构的精确加工。
第三步，将上述步骤所获得规则阵列结构硅片置入1wt％十七氟硅烷(FAS-17)乙醇溶液中，浸渍时间为24h，然后在120℃的烘箱中热烘2h，获得含有规则阵列结构的超疏水试样表面。
依照上述实施步骤制备的超疏水试样表面显示出较高的超疏水特性，试样表面中心液滴接触角为155°，，弹跳液滴初次弹离开试样表面，向微柱阵列结构稀疏区域即微柱中心间距为110μm区域偏离，且偏离的角度达到了8°左右。
实施例3
本发明的一种控制液滴弹跳方向的超疏水表面的制备方法如下：
第一步，以单晶硅片(厚度为600μm)为基体材料，将其切割成20mm×20mm大小，利用腊将硅片贴在陶瓷盘上，抛光过程中，将硅片加压于旋转的的抛光布上，同时加入适量的二氧化硅抛光液，抛光直至显微镜下观察无明显划痕。
第二步，采用光刻与等离子刻蚀加工的方法，将硅片表面按“十”字形分成4等分区域，在每一个区域构造规则阵列分布微米级柱状结构，通过调节工艺参数，在每一区域内构造出不同密集程度的微米级柱状结构。根据所需表面微观结构特征制作出相应掩模板，方形区域大小为20μm×20μm，中心间距分别为40μm、60μm、80μm和120μm依次均匀分布在“十”字形4等分区域中。通过显影技术将掩膜板上的规则阵列图形转移到硅片表面，其中光刻胶采用SU-8光刻胶、旋涂厚度为5～10μm、曝光时间为20～40s。随后利用干法等离子刻蚀技术在基体表面实现规则阵列结构的精确加工，加工深度为20μm，最后利用丙酮等有机溶剂将作为光刻阻挡层的光刻胶洗净，实现规则阵列结构的精确加工。
第三步，将上述步骤所获得规则阵列结构硅片置入1wt％十七氟硅烷(FAS-17)乙醇溶液中，浸渍时间为24h，然后在120℃的烘箱中热烘2h，获得含有规则阵列结构的超疏水试样表面。
依照上述实施步骤制备的超疏水试样表面显示出较高的超疏水特性，试样表面中心液滴接触角为152°，，弹跳液滴初次弹离开试样表面，向微柱阵列结构稀疏区域即微柱中心间距为120μm区域偏离，且偏离的角度达到了10°左右。
实施例4
本发明的一种控制液滴弹跳方向的超疏水表面的制备方法如下：
第一步，以单晶硅片(厚度为600μm)为基体材料，将其切割成20mm×20mm大小，利用腊将硅片贴在陶瓷盘上，抛光过程中，将硅片加压于旋转的的抛光布上，同时加入适量的二氧化硅抛光液，抛光直至显微镜下观察无明显划痕。
第二步，采用光刻与等离子刻蚀加工的方法，将硅片表面按“十”字形分成4等分区域，在每一个区域构造规则阵列分布微米级柱状结构，通过调节工艺参数，在每一区域内构造出不同密集程度的微米级柱状结构。根据所需表面微观结构特征制作出相应掩模板，方形区域大小为20μm×20μm，中心间距分别为60μm、80μm、100μm和130μm依次均匀分布在“十”字形4等分区域中。通过显影技术将掩膜板上的规则阵列图形转移到硅片表面，其中光刻胶采用SU-8光刻胶、旋涂厚度为5～10μm、曝光时间为20～40s。随后利用干法等离子刻蚀技术在基体表面实现规则阵列结构的精确加工，加工深度为20μm，最后利用丙酮等有机溶剂将作为光刻阻挡层的光刻胶洗净，实现规则阵列结构的精确加工。
第三步，将上述步骤所获得规则阵列结构硅片置入1wt％十七氟硅烷(FAS-17)乙醇溶液中，浸渍时间为24h，然后在120℃的烘箱中热烘2h，获得含有规则阵列结构的超疏水试样表面。
依照上述实施步骤制备的超疏水试样表面显示出较高的超疏水特性，试样表面中心液滴接触角为155°，弹跳液滴初次弹离开试样表面，向微柱阵列结构稀疏区域即微柱中心间距为120μm区域偏离，且偏离的角度达到了7°左右。
实施例5
本发明的一种控制液滴弹跳方向的超疏水表面的制备方法如下：
第一步，以单晶硅片(厚度为600μm)为基体材料，将其切割成20mm×20mm大小，利用腊将硅片贴在陶瓷盘上，抛光过程中，将硅片加压于旋转的的抛光布上，同时加入适量的二氧化硅抛光液，抛光直至显微镜下观察无明显划痕。
第二步，采用光刻与等离子刻蚀加工的方法，将硅片表面按“十”字形分成4等分区域，在每一个区域构造规则阵列分布微米级柱状结构，通过调节工艺参数，在每一区域内构造出不同密集程度的微米级柱状结构。根据所需表面微观结构特征制作出相应掩模板，方形区域大小为30μm×30μm，中心间距分别为50μm、70μm、90μm和110μm依次均匀分布在“十”字形4等分区域中。通过显影技术将掩膜板上的规则阵列图形转移到硅片表面，其中光刻胶采用SU-8光刻胶、旋涂厚度为5～10μm、曝光时间为20～40s。随后利用干法等离子刻蚀技术在基体表面实现规则阵列结构的精确加工，加工深度为20μm，最后利用丙酮等有机溶剂将作为光刻阻挡层的光刻胶洗净，实现规则阵列结构的精确加工。
第三步，将上述步骤所获得规则阵列结构硅片置入1wt％十七氟硅烷(FAS-17)乙醇溶液中，浸渍时间为24h，然后在120℃的烘箱中热烘2h，获得含有规则阵列结构的超疏水试样表面。
依照上述实施步骤制备的超疏水试样表面显示出较高的超疏水特性，试样表面中心液滴接触角为158°，弹跳液滴初次弹离开试样表面，向微柱阵列结构稀疏区域即微柱中心间距为110μm区域偏离，且偏离的角度达到了5°左右。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种控制液滴弹跳方向的方法，其特征在于，将基体表面划分为若干区域，每一个区域构造规则阵列分布微米级柱状结构，通过调节工艺参数，在每一区域内构造出不同密集程度的微米级柱状结构，保证相邻区域的微米级柱状结构密集程度不同或者根据需要各个区域内的微米级柱状结构密度依次减小或者依次增大，即可获得液滴向微米级柱状结构稀疏区域反弹的效果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)以硅材料为基体，采用化学机械抛光(CMP)，对硅片分别进行粗抛光、细抛光和精抛光，直至显微镜下观察无明显划痕为止；
2)将硅片表面划分区域，采用光刻与等离子刻蚀加工的方法，在每一个区域构造规则阵列分布微米级柱状结构，通过调节工艺参数，在每一区域内构造出不同密集程度的微米级柱状结构；
3)将步骤2)获得阵列微结构试样置入十七氟硅烷(FAS-17)乙醇溶液中浸渍一定时间后，随后在烘箱中热烘以获得微米级阵列结构超疏水表面。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1)中，基体材料为单晶硅片。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2)中，硅片表面的微柱尺寸为15～30μm、高度为20～30μm。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤3)中，采用0.8～1.5wt％十七氟硅烷(FAS-17)乙醇溶液，将硅片放入浸渍20～28h后在120～160℃的烘箱中热烘1.5～2.5h。
6.根据权利要求1-5任一方法获得的超疏水表面，具有较高的超疏水特性，试样表面弹跳液滴在弹离试样表面时，均向表面微柱分布较为稀疏的区域偏离，显示出明显的弹跳液滴的定向运动特性。
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