摘 要

受自然界具有特殊功能的微结构表面启发，对生活中某些表面进行特殊形貌微结构设计，以此赋予这些材料表面新的特殊功能，其中超疏水性能是近年来比较热门的研究。近年来，超疏水表面研究不断进展，已经获得了较多的成果，但是超疏水表面的可控制备实现尚不够完备，而且国内外对于固体表面微结构形貌与超疏水性能之间的联系研究尚存在一定不足，另外制备出的超疏水表面结构稳定性以及超疏水性能持久性还不足以让超疏水表面投入实际工程应用。

基于上面所述，本论文在查阅国内外超疏水材料研究资料之后，对线切割手段加工铝合金超疏水表面进行了深入研究，确定了线切割机床工艺参数与加工得出的超疏水表面性能之间的大致联系，并对线切割加工原理、优缺点等进行了详细分析，最后加工出了符合论文要求的铝合金超疏水块。在论文的最后还介绍了超疏水材料的应用前景。论文取得了以下研究成果：

1. 在对超疏水理论模型的研究基础上，明确提出了四种润湿状态下一级结构应该满足的临界条件。
2. 通过对比实验，建立了线切割机床工艺参数与超疏水表面性能的大致联系，并通过电火花线切割加工技术成功在铝合金表面制备出了具有超疏水性能的微结构表面。
3. 对目前超疏水表面的应用前景进行了一定的调查总结。

关键词：超疏水，微结构，线切割，铝合金

Abstract

Inspired by the micro-structured surface with special functions in nature, special surface micro-structures are designed for certain surfaces in life to impart new special features to these materials. Among them, super-hydrophobic properties have become more popular in recent years. In recent years, research progresses on superhydrophobic surfaces, and more results have been obtained. However, the controllable preparation of superhydrophobic surfaces is not yet complete, and the connection between the superficial morphology and superhydrophobic properties of solid surfaces is studied at home and abroad. There are still some deficiencies. In addition, the superhydrophobic surface structure stability and the durability of the superhydrophobic property are insufficient to make the superhydrophobic surface into practical engineering applications.

Based on the above, in this paper, after consulting the research materials of superhydrophobic materials at home and abroad, the super-hydrophobic surface of the aluminum alloy processed by the wire cutting method was deeply studied, and the process parameters and the superhydrophobic surface properties obtained by the machining of the wire cutting machine were determined. The general relationship between the two, and the wire cutting processing principles, advantages and disadvantages of a detailed analysis, and finally processed in line with the requirements of the paper super-hydrophobic aluminum alloy block. At the end of the paper, the application prospects of superhydrophobic materials are also introduced. Thesis has obtained the following research results:

(1) Based on the study of the superhydrophobic theoretical model, the critical conditions that the primary structure should satisfy in the four wet conditions are clearly proposed.

(2) Through contrast experiments, the general relationship between the technological parameters of the WEDM and superhydrophobic surface properties was established, and the surface of the micro-structure with superhydrophobic properties was successfully fabricated on the surface of the aluminum alloy by WEDM.

(3)A survey of the current application of superhydrophobic surfaces.

Key words: Superhydrophobic, Microstructure, Wire cutting, Aluminum alloy

目 录

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2超疏水性表面微结构概况 1

1.3超疏水表面研究的国内外研究现状 2

1.4 超疏水材料的应用前景分析 3

1.4.1超疏水材料的应用 3

1.4.2 超疏水表面的发展前景分析 7

1.5课题研究的背景、目的和意义及研究内容与预期目标 7

1.5.1选题背景 7

1.5.2选题的目的及意义 8

1.5.3主要研究内容与预期目标 8

第二章构建铝合金超疏水表面的理论基础 10

2.1引言 10

2.2超疏水表面的理论模型 10

2.2.1接触角定义 10

2.2.2Wenzel模型 10

2.2.3Cassie模型 11

2.2.4滚动角以及接触角滞后 12

2.3 两级结构的润湿状态 12

2.4液滴在一级结构上满足Cassie模型的条件 13

2.5小结 16

第三章电火花线切割加工铝合金超疏水表面 17

3.1高速电火花线切割原理 17

3.2电火花线切割制备二级微结构 17

3.3线切割制备二级结构特征参数的确定 21

3.4电火花线切割加工超疏水表面的优势与局限性 23

3.5 小结 26

第四章 结论 26

4.1总结 26

4.2研究课题展望 26

致 谢 27

参考文献 28

第一章 绪论

1.1 引言

多年来，由于超疏水表面微结构制备技术在改变材料表面疏水性方面可起到重要作用，通过在材料表面制备超疏水微结构，可赋予材料特殊功能，实现表面功能改性，改变材料原有性能，因此受到研究者的广泛关注。而针对金属材料，如何有效改善材料性能成为人们关注的重点，相关研究不仅具有十分重要的理论意义，而且在实际应用方面具有巨大的价值。

1.2 超疏水性表面微结构概况

人们对超疏水表面微结构的认识起源于对自然界中某些生物具有独特功能的非光滑表面，在自然界几十亿年优胜劣汰的进化中，某些生物的体表拥有了一些具有特定功能的微结构表面，大大提高了生物对环境的适应能力，也对人类的表面微结构研究提供了很好的机会。

例如雨滴落在荷叶上之后，会形成水珠然后顺着叶面慢慢滚动，最后落下，这种现象我们把它称为荷叶效应。这是由于荷叶表面一般拥有着凹凸不平的纳米级疏水结构，这会使水珠与荷叶表面的接触面积变得比较小，赋予了荷叶表面超疏水和自我清洁的特殊性质；生活中水滴水稻叶、鹅的羽毛、蝴蝶翅膀等的表面滚动时具有各向异性，就是在沿与表面主干平行和垂直的方向滚动性都不相同，其表面微观结构的排列方式决定了它们拥有这类特性的；蜘蛛丝具有非均一的突起节形貌，所以其挂水能力很强；水黾腿表面排列着针状的刚毛，直径由几微米到几百纳米不等，而且每根刚毛表面还具有螺旋状纳米结构，这种结构可以有效地吸附空气，在刚毛表面形成了空气膜，能够有效地使水黾腿部不被水侵湿，并产生强大的支撑力，使得水蝇能够自由的在水面上行走，跳跃。自然界的这些生物让我们知道，并不是表面越光滑性能越出众，更多时候我们需要模仿生物表面设计材料表面微结构，使其获得更多功能，来满足我们生活所需并促进人类科技的发展。

超疏水表面研究与设计从提出到现在已经经历了十多年，经过这些年的发展，已经涉及到医药、航空、船舶、建筑等各个领域，对社会的发展进步有很大的贡献。

图1.1 自然界中的超疏水表面

窗体顶端

1.3 超疏水表面研究的国内外研究现状

超疏水表面制备是指通过不同制备方法，在物体表面加工制造出具有不同

形貌、尺度和功能的微结构，以此让材料表面达到超疏水的性能要求。现阶段超疏水表面制备方法一般分为物理和化学两种，物理方法主要包括简单的机械加工、模板法、静电纺丝法、激光加工、光刻法等。化学方法主要有电化学沉积法、酸蚀法等。

材料的物理性质、化学性质等与材料表面润湿性有着密切联系，特殊润湿性状态对改善材料性能以及扩展材料应用有着深远的意义，因此微结构表面的润湿性能及超疏水性是研究比较早、比较多的表面性能。超疏水性是材料表面一种特殊的润湿状态，当微结构表面与液滴的静态接触角大于 150°时，此表面可称为超疏水表面，水滴因自身表面张力作用下该表面呈现出圆球状。

陶晓彦等人在对超疏水设计理论进行深入研究之后，成功制备出了超疏水纳米管薄膜，以及超疏水性能优秀的聚合物纳米纤维，还有在当前所有PH值范围内都能够实现超疏水功能的碳纤维薄膜。并且利用材料的热响应性，成功实现了材料的超疏水与超亲水之间的可逆转换。

粟常红等人利用传统的机械加工和分散纳米二氧化硅的方法在金属表面上制备出了具有微-纳米双微观结构的超疏水表面涂膜，此涂膜的静态接触角高达173°。这个方法简单易行，能够大批量制作。但是当前的制备技术发展有限，使其在建筑外墙等大型设施方面的应用还有较大的局限性。曲爱兰等人用表面能很低的含氟材料，对溶胶-凝胶法、相分离技术及自组装梯度功能等加工方法进行整合分析，最终将它们有机结合，得到了合适的表面粗糙度和双微观结构，这是一种实现批量生产超疏水性涂膜的可行方案。

江雷研究小组通过模仿自然界生物表面特殊结构，然后结合前人所总结的超疏水理论研究，成功制备出了超疏水自清洁表面，及高黏附性超双疏水表面，这种双疏水界面材料能够应用在诸多领域中，对我们的日常生活以及工农业生产都产生了很大的影响，带来了极大便利性。例如在船舶的外壳上应用这种材料，以及在燃料储备箱上采用这种材料,都能够使其具有防污防腐的特性，延长了船舶储备箱使用寿命；在输送石油的管道中应用这种材料,可以使石油尽量少的粘附管道壁,这样运输过程中的损耗就会很大程度上降低，石油管道堵塞的现象也会减少；用于水中运输工具或水下核潜艇表面上,可以减少水的阻力,让行驶速度得到很大提升；采用这种超疏水材料制作半导体传输线,雨天由于水滴放电而产生的噪音就会很大程度减小；这种材料应用在注射器针尖，可以有效防止因为药物沾染针尖带来的药品污染，还能够减少药品浪费，同时因此造成的对针尖的污染也会被降低。

1.4 超疏水材料的应用前景分析

1.4.1 超疏水材料的应用

超疏水表面由于其拥有良好的自清洁性能、防污性能、防粘附性能，所以在建筑行业、工农业生产领域、管道运输领域、医疗卫生领域以及国防军事领域等众多方面得到了广泛应用，下面是在具体的调查之后得到的应用分析。

1. 超疏水性材料在建筑领域的应用

 我们了解到，建筑物表面的污染腐蚀都是因为酸雨腐蚀、雨雪覆盖等因素造成的。而现在城市化已经成为大趋势，工业污染导致酸雨的发生概率大大增加，雨雪的酸性也日益提高，很多建筑物的表面都已经发生腐蚀现象。比如乐山大佛的面部就因为酸雨腐蚀而模糊不清。这时候超疏水材料的性能优势就很好的体现出来了，将超疏水材料应用于建筑物表面，会减少酸雨对建筑物地侵蚀，同时还能很好的防水、防沾污。这样就很大程度上减少了建筑物的维护成本。所以超疏水材料在这一方面具有广阔的发展前景。现阶段，超疏水材料在建筑物上应用形式主要是超疏水涂层以及防护液等，例如某公司利用超疏水技术研发出了一种超疏水玻璃自清洁涂层（如图1.2所示）。此涂层不仅无污染、无色透明、无毒，而且具有良好的超疏水性，能有效防结冰、防腐蚀。

图1.2 超疏水涂层玻璃图

1. 超疏水表面材料在船舶航海方面的应用

通过观察我们发现，水黾在水面上能够在自身腿部不被浸湿的前提下自如的行走、跳跃。根据这一现象，科学家通过实验得出，水黾腿部的特殊微纳米结构能够让他的腿部与水面之间形成空气垫，从而避免与水面直接接触，这样它们实现了自然界的“轻功水上漂”。数据表明，用新型超疏水材料制备而成的超级浮力材料（如图1.3），可以在船体与水面之间形成空气膜，让船体不直接与水面发生接触，这样就提高了航行速度，让能源消耗降低。研究表明，交通工具的“水上飞”，可以很大程度的提高交通工具的速度，节省相当的能源，这可能也会顺势带动交通、能源领域发生一次变革。

图1.3 超疏水材料部分图及在船舶上的应用

1. 超疏水表面材料在管道运输方面的应用 
   　　近年来，天然气的开发利用对人类的生活产生了重大影响。而天然气的陆上运输一般是管道运输，但是管道运输方式还存在不少问题，比如管道内壁太过粗糙导致天然气石油容易粘附在管道内壁，降低了管道运输的运输效率，而且天然气中大多含有较多的腐蚀物质，能够对管道产生腐蚀，减少了管道使用寿命。针对以上问题，众多学者做了很多工作在这方面，比如在管道内壁采用超疏水矩阵结构，让其达到超疏水要求，提高管道运输效率。还有采用用聚四氟乙烯修饰一般的超疏水表面，最终形成一层超疏水PTFE膜（如图1.4所示）。 
   　　在国外，许多金属及其合金表面都开始采用超疏水性薄膜来进行修饰，这样能够赋予这些金属及其合金原本所不具备的诸多优良特质，比如自清洁性、防腐蚀性。而经过修饰的金属及其合金可以广泛应用于管道运输等领域，可以有效提高运输效率，降低运输及设备维护成本。

图1.4 超疏水PTFE膜 

1. 超疏水材料在织物及过滤材料方面的应用 
   　　近年来，不断有科学家通过静电纺丝法制备出具有超疏水性能的纤维结构，这些纤维结构能够有效应用在织物纺织领域，能够赋予衣服防水、防尘等新型功能。 
   　　德国巴斯夫（BASF）公司对荷叶效应进行了深入研究，制备出了能够有效防雨的新型雨衣。上海名列化工科技有限公司则利用超疏水理论，开发出了MLCF系列多孔薄膜（如图1.5所示）。 
   　　超疏水材料在织物纺织这一领域能够得到有效利用，通过超疏水材料应用，我们能够赋予衣物更多的功能性以适应不同的工作场合，这表明超疏水技术在这一块具有非常广阔的应用发展前景。通过这一类技术的发展，人类的生活也将变得更加科技化、舒适化、便捷化。

图1.5 MLCF系列多孔薄膜

1. 超疏水材料在微流体控制方面的应用 

不浸润性和防粘附性是超疏水材料非常重要的一项特质。这项特质决定了超疏水性材料在微流体控制方面也能够得到充分的应用。例如将这种材料应用在注射器针尖，可以有效防止因为药物沾染针尖带来的药品污染，还能够减少药品浪费。市场上很多喷漆、喷胶的喷头也可以采用超疏水性材料来制成（如图1.6所示），这样能够使喷涂而出的液滴变得更加均匀，雾化效果也更好，在对喷涂效果有特殊要求的场合可以进行大量应用，让其良好特性得到充分体现。

图1.6 超疏水材料制造的喷头

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