仿生超疏水表面减阻性能的研究进展

徐胜 叶霞 范振敏 陆磊 冯欢

摘    要：超疏水表面能够降低液体流动阻力，具有良好的减阻性能，在船舶航行、管道运输和航空飞行等领域具有广泛的应用前景。首先，阐述超疏水表面润湿理论和减阻理论;然后，综述近几年来对超疏水表面微结构尺寸、形貌以及流体速度等减阻影响因素的研究;最后，介绍超疏水表面制备方法并展望未来超疏水表面应用前景。提出由于涂层类制备超疏水表面方法存在结合力弱的问题，因此，未来通过构建合适的微结构制备持久性能较好的超疏水表面将是可行的。

关键词：超疏水表面;微结构;润湿理论;减阻理论

中图分类号：O59         文献标识码：A               文章编号：2095-7394（2021）02-0049-09

能源问题是困扰人类社会可持续发展的一个重要问题。近年来，人们以节约能源为主要目标，研究了许多节能降耗的方法，其中，减少各类运输中的表面摩擦阻力损耗就是一个重要研究领域。随着近代微观技术的发展，科学家发现仿照荷叶、水黾和猪笼草等生物制备出的表面具有一定的减阻性能，这种表面被称为超疏水表面，一般是由微纳米结构和极低表面自由能物质组成[1]。对于超疏水表面减阻性能[2-11]的研究，在大量的文献中已有报道;一些学者研究后发现，微结构参数、形貌以及流速等都会对其减阻效果造成一定的影响[12-17]。但是，目前学者们对这些影响因素的机理研究还不全面，在各自的研究中只分析了一部分因素对减阻性能所造成的影响;所以，本文在综述仿生超疏水表面润湿理论、减阻机理和减阻影响因素之后，作进一步的比较，从而分析影响超疏水表面减阻性能的因素及其影响程度和规律。

1    超疏水表面润湿理论

对于润湿性的研究，最早可以追溯到1805年YOUNG T[18]提出的杨氏方程，如图1（a）所示。液滴落到组成均匀且光滑的固体表面时，静态接触角与固-气、固-液和液-气之间的表面张力有关，通过热力学平衡方程，YOUNG得到其表面的关系

公式：

其中：[θ]表示固-液-气三相处于稳定时光滑表面的接触角。当θ<90[°]时，固体表面呈现亲水性;当θ>90[°]时，固体表面呈现疏水性;当[θ=90°]时，固体表面介于亲水性与疏水性之间。[γsg]、[γsl]和[γlg]分别代表固-气、固-液和液-气之間的表面张力。

在生活中，我们所接触的表面看起来光滑，但实际是粗糙的，因此杨氏方程的使用会存在很大误差。考虑到这种情况，1936年，WENZEL R N[19]引入粗糙因子[r]对Young方程进行修正，如图1（b）图所示，液体与固体表面完全接触，固-液实际接触面积大于表观接触面积。通过计算，得到接触角关系公式：

其中：[θw]表示Wenzel状态下的表观接触角;θ表示Young模型中的本征接触角;粗糙因子[r]为固-液实际接触面积与表观接触面积之比。由于固体表面的粗糙因子[r]>1，因此，在Wenzel模型中，增加表面粗糙度，将会使亲水表面更加亲水，疏水表面更加疏水。

CASSIE和BAXTER[20]在研究疏水表面时发现，液滴滴落到疏水表面时，接触面凹坑内的气体不会被全部排除，在该状态下，如果继续使用Wenzel方程将会存在很大的误差。因此，提出了另一种固体表面润湿模型，即Cassie-Baxter模型，如图1（c）图所示，其接触角关系式为：

其中：[θc]表示Cassie-Baxter状态下的表观接触角;[f1]和[f2]分别表示固-液接触处固相和气相与液体实际接触面积之比（[f1+f2=1]）;[θ1]和[θ2]分别表示液体在固体和气体表面的本征接触角。一般水与空气的接触角为180[°]，则式（3）简化可得：

Wenzel状态下，液体与凹坑内表面完全接触，液体的粘性较高;而Cassie状态下，由于凹坑内存在气体，固-液接触面积减小，液体的粘性减小。一般情况下，通过修饰低表面能物质后，一些接触面会从Wenzel状态转化为Cassie状态，而且如果在Wenzel状态越亲水，那么在转为Cassie状态时所得到的接触角越大。刘晨华等人[21]在对纳秒激光加工微结构表面性能研究中发现，接触面氧化物的含量会影响其润湿性，氧化物的形成会增强亲水性，并且经过涂层处理后，润湿性会由亲水特性转变为疏水特性。

通常，接触角大小能反应固体表面疏水性能，但AMIRFAZLI A等人[22]的研究表明，仅用静态接触角是不能够反映出固体表面的动态润湿特性的;因此，还需要通过滚动角和接触角滞后这两者来共同衡量物体的动态润湿特性。这时，需将接触角分为前进接触角和后退接触角：前进接触角指的是固-液界面将产生，而气-液界面将消失时形成的接触角;后退接触角指的是气-固界面将产生，而固-液界面将消失时的接触角。接触角滞后[23]是指固体表面存在粗糙不平或者成分组成不均匀，使得接触角并非唯一的值，而是在相对稳定的两个角度之间变化的现象。滚动角是指液滴在表面即将发生滚动但尚未滚动时，倾斜表面的水平角度[α]。如图2所示，水滴在倾斜表面将要滚落的临界状态的角度即为滚动角。

2    超疏水表面减阻理论

2.1  滑移减阻理论

在减阻技术的研究中，由Navier提出的滑移理论[24]是一种得到普遍认可的用来评判减阻效果的理论。如图3所示，对于理想情况，液体流经超疏水表面，其速度在速度场垂直方向不会发生改变。而在实际情况中，一般靠近壁面的流速为0，存在着较大的粘性阻力;而在有超疏水微结构的表面，可以明显看到在靠近壁面处的流速已经不为0，粘性阻力减小。如果延伸沿着速度梯度方向的法线到速度为0处，所延伸的长度就称为滑移长度[s]，那么，壁面速度[v]的公式推导为：

在LEE C等人[26]176的研究中，通过微型PIV测量出流经微结构表面的速度场，发现在高雷诺数下，微结构表面几乎没有减阻效果。在RASTEGARI A等人[46]的研究中，模拟湍流中高雷诺数情况下超疏水表面的减阻特性和可持续性界限，结果表明：减阻的大小不仅与表面微结构的几何形状和大小有关，还与雷诺数有关;一定条件下，随着雷诺数的增加，超疏水表面減阻效果增强。在DANIELLO R J等人[47]的研究中，选用PDMS通过光刻技术制备微结构表面，研究发现：在层流状态下没有滑移速度出现，而在湍流状态下滑移速度出现，且随着雷诺数的增加而增加，减阻效果也越好。李小磊等[48]分别使用激光加工、自组装技术和化学涂覆技术在Si基底上加工出亲水壁面、疏水壁面和超疏水壁面，然后将所得壁面两两组合在微通道的上下壁面，得到滑移速度偏向于更疏水一面的结论。由以上研究发现：在一般情况下，随着流体速度的增大，超疏水表面和光滑表面所产生的阻力也加大;当流体速度达到一定值时，层流变为湍流，而超疏水表面可以延缓层流变为湍流的过程，即需要比光滑表面更大的流体速度才能使流动状态从层流变为湍流。

4    超疏水表面制备

超疏水表面是由微纳米复合结构和极低的表面自由能组成的，这就决定了制备超疏水表面的方法应围绕以下三种：（1）在固体表面覆盖一层低表面自由能物质;（2）在固体表面构建合适的微纳米复合结构;（3）使合适的微纳米复合结构与合适的表面自由能组合。目前，已有的制备方法包括激光刻蚀法[49]、化学气相沉积法[50]、模板印刷法[51]和溶胶凝胶法[52]。化学气相沉积法难以保证微结构形貌，可控性较差;模板印刷法可在聚合物表面加工出微结构，但不宜在金属表面加工;溶胶凝胶法制备出的微结构表面与基体结合力弱;激光刻蚀法对于微结构形貌可控，虽然不适合在大物体表面加工，但可以通过设计合适的激光设备来弥补这一缺陷，未来可期。然而，以上方法所制备的微结构表面，一般耐久性能比较差，往往经过短时间的使用其表面微结构就会被破坏，从而失去超疏水特性。近年来，王德辉等人[53]研究了在硅片、陶瓷、金属、玻璃等普适性基材表面，利用光刻和冷/热压等微细加工技术，加工倒四棱锥微腔阵列结构。经过不锈钢刀片的反复刮擦，铠甲化表面表现出对垂直载荷和剪切力良好的抵抗能力，且填充在微结构内部的纳米材料完好无损，展现了超疏水表面非凡的应用潜力。

5    结语与展望

超疏水表面因其良好的减阻性能，未来在水下航行、管道运输和空中航行等需要减少固-液摩擦阻力的领域有着广泛的应用前景。由于目前涂层类制备超疏水表面依旧存在涂层结合力弱、耐用性差等问题，因此，制备耐磨损、耐使用超疏水表面将会是一个重要的研究方向。此外，影响超疏水微结构表面减阻效果的因素有很多，需要将多种因素结合在一起考虑，建议采用正交实验方法或其他多种因素的处理方法。可通过实验和模拟方法选出影响最大的因素，并综合各因素找出减阻效果较好的参数和形貌;然后，在此微结构参数和形貌下进行微结构深度、宽度和间距的单一变量变化实验和模拟，最终得到减阻效果较好的超疏水微结构表面。

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