关于金属超疏水功能界面的综述

摘要：超疏水金属表面具有许多优异的性能，例如防冰霜、自清洁、耐腐蚀、滑移减阻等，在许多领域都发挥了重要作用。超疏水表面的制备方法如化学刻蚀法，模板法，电化学沉积法等。本文将对超疏水表面的定义、制备方法及运用进行概括。

关键词：金属；超疏水；表面

引言

金属材料因具有良好的铸造性能、力学性能、热加工性能，而被广泛应用于建筑、工业及生活等众多领域中。但是，金属材料在使用中不可避免的会被环境所影响，甚至可能会发生安全问题。超疏水金属表面具有良好的防冰霜、自清洁、耐腐蚀、滑移减阻等性能。可以有效的保护潮湿及霜冻等条件下的金属，从而减少损失。因此金属超疏水表面一度成为热点，被广泛研究[1]。

经过研究发现，超疏水表面的本质是拥有很低的表面浸润性能。其制备原理为：在疏水性的表面构建出具有微纳米多层次几何粗糙结构或者在微纳米多层次粗糙结构的表面修饰低表面自由能物质。超疏水表面是指与水的接触角值大于150°且滚动角小于10°的固体表面。目前，超疏水表面的制备方法主要包括化学刻蚀法，模板法，电化学沉积法，自组装法，溶胶凝胶法，喷涂法和阳极氧化法等。本文将对超疏水表面的定义和制备方法的研究进行概述。

1超疏水表面的定义

1.1浸润性

浸润性是固体表面的一个重要性质，在工农业生产与日常生活中起着重要的作用，与人们的生活息息相关。液体在固体表面的接触角常常作为衡量固体表面浸润性的指标。浸润过程伴随着固体界面由固气界面向固液界面的转化。一般情况下，液滴在固体表面并不完全展开，稳定时会与固体表面成一定的角度，该角度称为接触角。

1.2 接触角

液滴置于固体表面时，由于固-液-气三者之间的表面张力形成一个平衡的稳定状态，此时在固-液-气三相接触点做气-液界面的切线，此切线与固体界面之间的夹角称之为液滴在此固体表面的接触角。当液滴与固体表面的接触角<90°时，此固体界面被称之为亲液界面;当液滴与固体表面的接触角>90°时，此固体截面被称之为疏液界面。对于一些极端的浸润现象，如接触角接近0°或者接触角>150°，这样的界面就被称之为超亲液界面和超疏液界面。由于我们目前研究的主要是水与固体界面的接触，这些概念就可以称之为亲水、疏水以及超亲水和超疏水界面。

1.3 滚动角

对于疏水表面，单一的接触角不足以充分描述表面的润湿性质，判断固体表面的润湿效果时，还应该考虑到相应的动态过程，一般引入滚动角或者动态接触角的概念来进行衡量。通常定义滚动角为固体表面缓慢倾斜时，停留在固体表面的液滴在重力作用下，开始移动时的临界倾斜角。滚动角的大小在一定程度上可以反映固体表面接触角滞后的性质。一般情况下，对于具有自清洁性能的超疏水表面，应该既具有较大的静态接触角同时具有较小的滚动角[2]。

2超疏水表面的制备方法

2.1 化学刻蚀法

化学刻蚀法是指以强酸、强碱或其他溶液为刻蚀剂，将材料放置于其中，依靠溶液自身的腐蚀性和金属与合金的晶格缺陷或合金不同成分之间的耐腐蚀性能的差异，通过试剂与材料表面接触对加工表面进行选择性刻蚀，从而在材料表面加工出所需要的粗糙微纳米结构。化学刻蚀法使用的试剂和设备都比较，但使用的试剂较为危险，且有一定的污染。例如李艳峰等人分别以盐酸和氟硅烷乙醇溶液作为刻蚀剂和低表面能修饰剂，成功地在铝合金基底上制备出超疏水表面。

2.2 模板法

模板法是一种将表面易改变的物质作为模板，通过物理方法或化学方法对其进行沉积或者刻蚀，将另一种物质沉积到模板的孔中或表面上以复制模板，以获得超疏水表面的方法[3]。例如，Liu 等人使用 PDMS 预聚体在荷叶表面获得与其完全相反的粗糙结构，然后以此为模板得到与该结构相反即与荷叶表面相同的表面结构，最终构建出具有粗糙的微纳米结构的超疏水表面。

2.3 电化学法

电化学法：电化学法最常用的方法主要包括电化学沉积法和阳极氧化法。电化学沉积法是一种在外加电压的辅助下，将基底置于阴极，通过电化学反应在基底表面沉积形成表面粗糙度的方法。例如He 等人采用阴极电化学沉积法，在锌片表面制备出了许多纳米棒，这种粗糙表面经氟烷聚合物修饰后，接触角约为 167°。

2.4 自组装法

自组装法是一种方便快捷且能精确控制的超疏水表面制备方法。它一般包括与基体有较好结合力的涂料和疏水性涂料[4]。例如江雷研究小组采用自组装一歩浸泡法，在铜片和锌片上得到了花瓣状的多元微纳结构的金属脂肪酸盐，这种由花状结构组成表面拥有优良的超疏水能力，其接触角可达 162°。

2.5 溶胶凝胶法

溶胶凝胶法指的是通过高活性的化合物前驱体以及低表面能物质来获得一种三维网状结构的凝胶，凝胶经过干燥固化后可以得到具有粗糙微纳米结构的超疏水表面。王玲玲等人通过溶胶凝胶法在玻璃基体表面制备了 ZnO/SiO2 纳米线，通过 OTS 化学气相沉积修饰后得到具有优异性能的超疏水表面。

2.6 喷涂法

随着纳米技术的兴起，以纳米颗粒为涂料的粉末喷涂技术为解决溶液喷涂法带来的环境污染问题提供了可替代方案。该方法一般是通过带电粒子的静电作用，使粉末附着在基材上，形成超疏水涂层。喷涂法是指将疏水性涂料和粘附性较好的涂料混合在一起进行喷涂处理。例如，Wu 等人将 PDMS 与经氟硅烷乙醇溶液改性后的二氧化硅纳米粒子混合在一起进行喷涂，经过固化后得到具有粗糙表面结构的超疏水涂层，接触角度可达 156.5°，滚动角度约为 2°[5]。

3 超疏水表面性能测试

由研究可知，判断超疏水表面制备成功的依据为接触角和滚动角的角度达到规定值。所以会将测试方法进行概述。在目前的大部分研究来看，超疏水表面测试的较多的性能为机械稳定性能、自清洁性能、耐腐蚀性能、电化学性能等，在某些领域还会测试其它性能，例如海洋减阻、海洋抗结冰等性能等。目前的测试方法基本都是模拟超疏水材料的应用环境，然后观察和记录其反应和应用时间。例如Lyons 等通过模板法以铜网为模板，制备出了表面结构为柱状的聚乙烯超疏水表面，接触角为 160°，通过线性磨耗仪测试了试样的机械稳定性能，在32k Pa 的作用力下，通过对试样表面反复摩擦 5000 次，试样表面依然保持着超疏水性能[6]。

3.1接触角和滚动角测试

接触角可采用接触角测量仪对所制备的超疏水表面和超疏水涂层进行了接触角和滚动角的测量。可规定测试水滴体积，以及取不同位置的接触角的测量值的平均值。接触角度的计算由接触角测量仪自带软件进行测试与分析。滚动角的测试是将水滴放置于试样表面后慢慢转动工作台，当水滴滚动时记录转动角度，记录数次测量的平均值。

结束语

当今，金属被广泛的应用于多个领域，因为应用环境以及金属本身的特性，很容易造成损失，而这些损失可以通过在金属表面形成超疏水膜来减少。所以超疏水界面就目前来看有很大的发展和应用空间，并且制备方法多样且在不断改进和完善。

参考文献

[1] 刘晓燕， 赵雨新， 赵海谦， 董明， 刘景雯， 冯绍桐. 刻蚀法制备超疏水金属表面的研究综述.  功能材料与器件学报[J]. 2019， 25（issue）： 221-228.

[2] 王会杰， 超疏水功能界面的制备及应用， 2015.

[3] 赵亚梅， 丁思奇， 曹婷婷， 霍梦丹， 陈丽. 超疏水材料的制备及其在海洋领域中应用的研究进展. 化工新型材料[J]. 2022， 50（issue）： 34-38.

[4] 巩奥， 铝合金超疏水表面的制备及耐腐蚀稳定性研究， 2021.