Page 45 - 《精细化工》2021年第11期

第 11 期 江 琦，等: 由特殊形貌基材构建的耐磨双疏表面研究进展 ·2191·

当引入基材微结构时，固体与液体接触面相应 微柱阵列结构中，从而制得基材微米结构-表面纳米
减少，即 ϕ s 减小，由上式可知，θ C 增加。 结构相结合的超双疏表面。测量了该微-纳结构和普
综上所述，基材微结构的引入可以增加表面粗 通微-纳结构的疏液性能，发现基材微米-表面纳米
糙度，提高液体接触角，使疏液表面更加疏液。 结构双疏性能更佳。CHAO 等 [27] 使用激光直写在铜
油的表面张力比水的表面张力小很多，一般制 基板上制造网格状微结构，通过碱辅助氧化反应在
备的超疏水表面难以同时具备超疏油性能，基材微 表面上制备纳米棒，然后进行全氟烷基硫醇盐反应
结构的引入使得超疏水超疏油表面的制备更加容 降低表面能以制备超双疏表面。结果表明，通过更
易。LI 等 [26] 将光刻负胶作为基底，采用标准光刻工 改栅格间距（GS），可改变所制备表面的油接触角，
艺将其制作成微柱阵列。将聚集的纳米粒子引入到 进一步调节油的附着力，见图 3。

图 3 一滴油在不同栅格间距下制备的双疏表面上的润湿行为 [27]
Fig. 3 Wetting behavior of a drop of oil on an amphiphobic surface prepared under different grid spacings [27]

1.2 提高双疏表面的耐磨性能 过改变基材微观结构的几何形状可以增加表面的机
双疏表面的耐久性和机械强度是实际应用的重 械强度。研究表明，基材微结构的侧壁和基材表面
要指标。双疏材料的微观结构较为疏松，机械强度 的夹角 α 与基材机械稳定性能密切相关。如图 5 所
差，很容易被破坏，导致液体排斥性丧失，极大限 示，随着 α 的增加，第三主应力|σ 3 |逐渐减少，微结
制了双疏表面的实际应用 [28] 。提高表面机械稳定性 构的机械稳定性显著提高。从结构力学的角度看，
已成为双疏表面发展的关键问题，机械稳定双疏表 提高 α 是增强结构稳定性的有效方法 [35] 。
面结构的构建是解决这一问题的主要思路 [29-31] 。
双疏表面特有的微观粗糙结构一般会降低其机
械稳定性，但在基材和功能层之间的某些特殊设计
可以有效解决该问题 [32-33] 。如图 4 所示，基材的规
整凹凸结构和功能层共同构成了双疏表面。当物体
与双疏表面接触并发生摩擦时，只有微结构的顶端
能接触到外部物体，两者实际摩擦面积减小，双疏
表面上的大部分功能层并未因摩擦而受到损伤，使
得双疏表面一定程度上得到了有效的保护，相应也
提高了其机械稳定性 [34] 。同时，基材表面特有的凹凸
结构可以将基材凸出部分因机械摩擦而产生的碎屑储 图 5 侧壁角（α）的变化对机械稳定性以及液固接触分
存在凹坑内，从而减轻了双疏表面功能层的损失。 数 Δf micro 的影响 [35]
Fig. 5 Influence of mechanical stability and change of the
micro
liquid-solid contact fraction Δf
as function of
the sidewall angle (α) [35]

2 微结构基材-机械稳定双疏表面的构建

图 4 双疏表面减轻磨损示意图 [34] 双疏表面应用范围较广，构建双疏表面的基材
Fig. 4 Schematic diagram of amphiphobic surface to reduce 种类也是多样化的。基材表面的微观形貌对润湿性
wear [34]
和机械稳定性均有较大影响。特殊形貌基材具备更
基材微观结构除了能够减小摩擦时的接触面 大的比表面积和更丰富和规整的材料附着位点，可
积，还能够在机械负载下承受较高的局部压力。通 以经过设计型分布，使得构建双疏表面的活性基团