CN106971018A - 一种基于生物耦合机制的金属基润湿表面结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于生物耦合机制的金属基润湿表面的结构设计方法，建立典型植物叶表面结构理想数学模型，揭示其界面润湿行为机理及动态变化规律，提出结构、形态、成分多因素耦合新机制，将其表面形貌进行几何模型化处理，通过相关的实验设计来有效改变表面润湿状态，从而实现金属基仿生功能表面的制备，极大增加其应用范围，该方法基于工程仿生思想，以多样化生物分级结构及可控制备技术为手段，通过相关的实验设计来有效改变表面润湿状态，以实现多功能仿生表面的制备，本发明在金属基底上形成超疏水仿生表面，具有微纳米尺度双层分级结构，接近天然生物表面形态特征。

Description

一种基于生物耦合机制的金属基润湿表面结构设计方法

技术领域

本发明涉及金属材料表面改性技术领域，特别是涉及一种基于生物耦合机制的金属基润湿表面的结构设计方法。

背景技术

自然界大量的动物和植物表面，经过亿万年的自然选择与进化，在遗传、变异、竞争以及环境条件的作用下，形成了对现实复杂问题有效的解决机制，生物表面的功能特性，如自洁、防水、吸附、润滑、摩擦、磨损等，呈现出生物自身结构与其功能的高度统一性，为仿生功能表面的设计与制备提供了灵感和理论基础。

“师法自然”，围绕揭示典型生物体表的功能机理，以自然界经亿万年优化的生物多层次、多维和跨尺度本征结构为模本，建立仿生微结构与功能相耦联的关系模型，通过人工方法，在模拟其物理结构的同时，结合其结构化学构成，制备既有自然界生物精巧结构，又有对其结构的修饰、组装和多尺度复合，从而形成具有仿生多功能的结构表面。

生物功能表面的机理是仿生设计与制备的基础，对于液固接触的生物表面而言，多名学者已经开展了对其形态、材料作用机理的揭示。然而，遗憾的是，对于其多级结构的设计准则、结构单元体尺度、形态优化设计，没有进行系统探讨与定量的描述。因此，探索生物功能的耦合作用与各因素的耦联情况的定量关系，对于仿生设计与制备具有重要的理论意义。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术对生物功能表面的多级结构的设计准则、结构单元体尺度、形态优化设计，没有进行系统探讨与定量的描述等问题，而提供一种基于生物耦合机制的金属基润湿表面的结构设计方法，本发明可根据优化模型来适当调整结构参数，表面润湿性得到有效改善，进而适应不同工况。不仅仅为表面处理技术增加一种新的解决途径，还可有效缓解工业生产中的诸多问题，可根据优化模型来适当调整结构参数，表面润湿性得到有效改善，进而适应不同工况，基于形态尺度与材料耦合的设计准则，定量表征形态尺度设计参数，优化结构形貌，为仿生功能表面设计提供一定的借鉴。

本发明的具体设计方法如下：

一、建立仿生数学模型，揭示界面润湿行为机理及动态行为规律，同时展开仿生结构与形态的设计；

1、仿生数学模型的建立

选取荷叶、玫瑰花瓣与金盏菊花瓣这三种典型超疏水植物进行研究，通过扫描电镜图像SEM观察与润湿性测试来展开分析：

荷叶：CA＝155°，SEM图像显示，荷叶表面微观结构是由底面为多边形的微米级凸包密堆积而成的，同时在微米级乳突表面上分布着纳米级蜡质晶体，这种微米级的凸包和纳米级的蜡状刺突就构成了荷叶表面的微纳米双层分级结构，使得荷叶表面具有足够的粗糙度，呈现出超疏水特性，兼具自清洁特性；

玫瑰花瓣：CA＝151.4°，表面由底面为多边形的微米级突起密堆积排列而成，同时还覆盖有纳米尺度的褶皱，从而形成独特的双层分级结构，即微米级的乳突与纳米级的褶皱，水滴在玫瑰花瓣上方时，水滴能够呈现高且稳定的接触角；水滴垂直于玫瑰花瓣表面甚至处在玫瑰花瓣的下方时，也能够在其表面保持稳定的超疏水状态，不会掉落，这说明玫瑰花瓣表面同时拥有超疏水和高黏附双重特性；

万寿菊花瓣：相比荷叶与玫瑰花瓣而言，万寿菊花瓣表面的凸起尺寸相对较大，在密堆积排布的凸包上方还覆盖有尺寸较小的微米级乳突结构，从而构成微/微双层结构，使得万寿菊花瓣表面具有超疏水特性，此外，在测试水滴黏附性过程中可发现，其具有与玫瑰花瓣相类似的黏附效果，即，对水滴具有高黏附性；

总结这三种典型植物表面的微观结构及特征，可发现表面超疏水功能由结构、形态、材料多因素耦合作用实现，大多遵循如下规律：

(1)结构形式：多为微纳/微微双级或多级结构；

(2)表面形态：大多为凸包形态；

(3)材料：表面存在蜡质层；

二、仿生结构与形态的设计

1、分级结构设计：在深入研究植物叶的浸润性与其表面微结构的关系之后，Herminghaus指出，只要最小一级结构能够让液体产生悬挂，分级微细结构可以使得任何本征接触角θ>0的固体表面变得不浸润(θ>90°)，甚至进入超疏水状态；

其中，n指结构级数，其值越大代表级数越高；f表示气-液接触面积分数；θ为表面接触角；

基于Herminghaus模型，结合典型生物表面形貌，设计双级结构，其中需保证基底的本征接触角大于0，以有效改善表面润湿特性；

2、形态设计：具有凸突形状的分级结构不仅可以增强疏水性，还能钉扎液-固-气三相接触线，从而进一步使超疏水性具有稳定性，故而选取凸包形态进行仿生设计，且γ≈0.5-0.7，γ＝R/L，γ为深径比，R为凸包半径，L为微柱间距；

3、结构稳定性与能量分析：当液面位于凸起处时，系统处于稳定状态，而当液面位于凹槽处时，系统则不稳定，对于本征疏水表面能量越低的稳定状态，对应的液面位置越高，而对于本征亲水表面能量越低的稳定状态，对应的液面位置则越低，对于本征亲水表面，当液滴逐步浸润固体表面时，系统自由能将越过势垒从一个稳态进入另一个能量更低的稳态，系统总自由能将变得更小；

G＝π^1/3(3V)^2/3(1-cosθ_r)^2/3(2+cosθ_r)^1/3γ_LV

其中，G为稳态时液滴所需能量；V为液滴体积；γ_LV表示液体与空气之间的表面张力，表示界面上单位面积的能量；

三、采用激光加工技术在金属基底表面上制备周期性仿生结构

参照经过典型植物耦合优化设计之后的数学模型，在金属基底表面上进行仿生结构制备，以激光加工的方法为例，在铝合金基底上进行表面微结构设计，并改变加工参数来获取具有不同形貌特征的表面，对于激光加工方法来讲，需选用合适的激光能量强度、扫描速度以及扫描间距，随后，在相同的激光能量强度、扫描速度下，改变微柱加工的形状、直径或间距，即可在金属基底上获得具有不同表面形貌的周期性微柱结构；

所述激光加工方法的加工参数如下：

激光能量强度选取范围为0-100W；

扫描速度控制在100-500mm/s；

微柱形状包括圆柱状或方块状或条状；

微柱直径变化范围为30μm-100μm；

微柱间距变化范围50μm-150μm；

不同的实验参数，将会导致表面形貌特征的不同，进而影响实验结果；

所述典型植物主要是荷叶或玫瑰花瓣或金盏菊花瓣，其表面微观分级结构使其具有超疏水特性，同时具有不同的水滴接触状态。

本发明的有益效果：

本发明在金属基底上形成超疏水仿生表面，具有微纳米尺度双层分级结构，接近天然生物表面形态特征；可根据优化模型来适当调整结构参数，表面润湿性得到有效改善，进而适应不同工况，本发明的特征在于建立典型植物叶表面结构理想数学模型，揭示其界面润湿行为机理及动态变化规律，提出结构、形态、成分多因素耦合新机制，将其表面形貌进行几何模型化处理，通过相关的实验设计来有效改变表面润湿状态，从而实现金属基仿生功能表面的制备，极大增加其应用范围。

附图说明

图1是本发明仿生金属表面周期性微柱结构设计与制备流程示意图。

图2是本发明荷叶(a)的光学照片与对应的SEM图像(b)及其表面接触角示意图。

图3是本发明玫瑰花瓣(c)的光学照片与对应的SEM图像(d)及其表面接触角示意图。

图4是本发明万寿菊花瓣(e)的光学照片与对应的SEM图像(f)及其表面接触角示意图。

图5是本发明仿生结构表面的凸突几何润湿模型；

图6是本发明不同周期性结构的铝合金表面凸包状(a)SEM图像与对应的高倍SEM图像(d)示意图。

图7是本发明不同周期性结构的铝合金表面方块状(b)SEM图像与对应的高倍SEM图像(e)示意图。

图8是本发明不同周期性结构的铝合金表面条纹状(c)SEM图像与对应的高倍SEM图像(f)示意图。

图9是本发明不同周期性结构的铝合金表面的水接触角大小及接触状态示意图。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9所示，一种基于生物耦合机制的润湿表面结构设计方法，首先，进行金属基底仿生表面的设计：

以典型植物为模本所建立的数学模型为模板，在金属基底上设计具有天然生物复合材料微细结构分布特征的表面；

以铝合金基底为例进行超疏水仿生表面的设计：

铝及其合金具有密度低，比强度较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性等优越性能，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业等领域有广泛的应用，是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料。根据仿生耦合原理，本发明致力于制备出具有典型生物特征的超疏水表面，从而改善铝合金的润湿性，降低其使用限制条件；

所述典型植物为荷叶，其表面微观分级结构使其具有超疏水特性，同时具有不同的水滴接触状态。

然后，对铝合金试样进行以下操作：

一、对铝合金试样进行预处理：将抛光好的铝合金试样依次使用丙酮、无水乙醇进行超声波清洗10min，以除去试样表面杂物；

二、将预处理后的试样使用激光加工方法在不同的条件下进行表面加工，所述激光加工方法的加工参数如下：

激光能量强度选取80W；

扫描速度控制在300mm/s；

扫描间距为100μm；

微柱形状包括圆柱状；

微柱直径变化范围为60μm；

微柱间距变化范围80μm；

三、选用不同的低表面能物质对表面进行修饰，低表面能物质为硬脂酸或十四烷酸或氟硅烷，以获得不同的润湿效果。

Claims (3)

1.一种基于生物耦合机制的金属基润湿表面的结构设计方法，具体设计方法如下：

一、建立仿生数学模型，揭示界面润湿行为机理及动态行为规律，同时展开仿生结构与形态的设计；

二、仿生结构与形态的设计

1)分级结构设计：在深入研究植物叶的浸润性与其表面微结构的关系之后，Herminghaus指出，只要最小一级结构能够让液体产生悬挂，分级微细结构可以使得任何本征接触角θ>0的固体表面变得不浸润(θ>90°)，甚至进入超疏水状态；

${\mathrm{cos\θ}}_n^{*}=(1-f_n){\mathrm{cos\θ}}_{n-1}^{*}-f_n$

其中，n指结构级数，其值越大代表级数越高；f表示气-液接触面积分数；θ为表面接触角；

基于Herminghaus模型，结合典型生物表面形貌，设计双级结构，其中需保证基底的本征接触角大于0，以有效改善表面润湿特性；

2)形态设计：具有凸突形状的分级结构不仅可以增强疏水性，还能钉扎液-固-气三相接触线，从而进一步使超疏水性具有稳定性，故而选取凸包形态进行仿生设计，且γ≈0.5-0.7，γ＝R/L，γ为深径比，R为凸包半径，L为微柱间距；

3)结构稳定性与能量分析：当液面位于凸起处时，系统处于稳定状态，而当液面位于凹槽处时，系统则不稳定，对于本征疏水表面能量越低的稳定状态，对应的液面位置越高，而对于本征亲水表面能量越低的稳定状态，对应的液面位置则越低，对于本征亲水表面，当液滴逐步浸润固体表面时，系统自由能将越过势垒从一个稳态进入另一个能量更低的稳态，系统总自由能将变得更小；

G＝π^1/3(3V)^2/3(1-cosθ_r)^2/3(2+cosθ_r)^1/3γ_LV

其中，G为稳态时液滴所需能量；V为液滴体积；γ_LV表示液体与空气之间的表面张力，表示界面上单位面积的能量；

三、对金属试样进行预处理：将抛光好的金属试样依次使用丙酮、无水乙醇进行超声波清洗10min，以除去试样表面杂物；

四、采用激光加工技术在金属基底表面上制备周期性仿生结构

参照经过典型植物耦合优化设计之后的数学模型，在金属试样基底表面上进行仿生结构制备；

在金属试样基底上进行表面微结构设计，并改变加工参数来获取具有不同形貌特征的表面，选用合适的激光能量强度、扫描速度以及扫描间距，随后，在相同的激光能量强度、扫描速度下，改变微柱加工的形状、直径或间距，即可在金属基底上获得具有不同表面形貌的周期性微柱结构；

所述激光加工方法的加工参数如下：

激光能量强度选取范围为0-100W；

扫描速度控制在100-500mm/s；

微柱形状包括圆柱状或方块状或条状；

微柱直径变化范围为30μm-100μm；

微柱间距变化范围50μm-150μm；

五、选用不同的低表面能物质对加工表面进行修饰。

2.根据权利要求1所述一种基于生物耦合机制的金属基润湿表面的结构设计方法，其特征在于：所述建立仿生数学模型中，选取荷叶、玫瑰花瓣与金盏菊花瓣这三种典型超疏水植物进行研究，通过扫描电镜图像SEM观察与润湿性测试来展开分析：

荷叶：CA＝155°，SEM图像显示，荷叶表面微观结构是由底面为多边形的微米级凸包密堆积而成的，同时在微米级乳突表面上分布着纳米级蜡质晶体，这种微米级的凸包和纳米级的蜡状刺突就构成了荷叶表面的微纳米双层分级结构，使得荷叶表面具有足够的粗糙度，呈现出超疏水特性，兼具自清洁特性；

玫瑰花瓣：CA＝151.4°，表面由底面为多边形的微米级突起密堆积排列而成，同时还覆盖有纳米尺度的褶皱，从而形成独特的双层分级结构，即微米级的乳突与纳米级的褶皱，水滴在玫瑰花瓣上方时，水滴能够呈现高且稳定的接触角；水滴垂直于玫瑰花瓣表面甚至处在玫瑰花瓣的下方时，也能够在其表面保持稳定的超疏水状态，不会掉落，这说明玫瑰花瓣表面同时拥有超疏水和高黏附双重特性；

万寿菊花瓣：相比荷叶与玫瑰花瓣而言，万寿菊花瓣表面的凸起尺寸相对较大，在密堆积排布的凸包上方还覆盖有尺寸较小的微米级乳突结构，从而构成微/微双层结构，使得万寿菊花瓣表面具有超疏水特性，此外，在测试水滴黏附性过程中可发现，其具有与玫瑰花瓣相类似的黏附效果，即，对水滴具有高黏附性；

总结这三种典型植物表面的微观结构及特征，得知表面超疏水功能由结构、形态、材料多因素耦合作用实现，大多遵循如下规律：

(1)结构形式：多为微纳/微微双级或多级结构；

(2)表面形态：大多为凸包形态；

(3)材料：表面存在蜡质层。

3.根据权利要求1所述一种基于生物耦合机制的金属基润湿表面的结构设计方法，其特征在于：所述低表面能物质为硬脂酸或十四烷酸或氟硅烷。