在材料科学的领域中，超疏水表面处理技术一直备受关注，其独特的性能为众多应用带来了新的可能。近年来，这一领域更是取得了一系列令人瞩目的最新成果。
超疏水表面处理技术的原理与特性
超疏水表面通常是指与水的接触角大于 150 度，滚动角小于 10 度的表面。其实现超疏水性能的关键在于表面的微观结构和低表面能物质。微观结构通常包括粗糙的纹理、纳米级的凸起和凹陷等，这些结构能够有效地捕捉空气，减少水与固体表面的接触面积。而低表面能物质如氟化物、硅氧烷等则能进一步降低表面的自由能，增强疏水效果。
下面将介绍最近一年内关于超疏水表面处理技术的最新成果。
1. 东南大学张友法团队的研究
东南大学材料科学与工程学院张友法课题组于近期在超疏水涂层应用领域取得重要进展。他们设计了一种单元胞颗粒，将其分散于不同树脂中，可同时赋予涂层超疏水性和机械稳定性。相关成果以“Ultra-durable superhydrophobic cellular coatings”为题发表于国际著名期刊《Nature Communications》上。
该单元胞由硬质多孔的硅藻土微壳和可释放的纳米种子构成，具有独特的物化性质，可同时提高涂层的超疏水性和机械性能，使超疏水涂层的耐磨性和耐冲击性分别提高30-100倍和120倍。更重要的是，单元胞涂层可防止盐雾、盐水、混凝土等不同相物质黏附，以及促进露滴、霜层脱附，显著提高换热器传热效率。
2. 清华大学团队的研究
清华大学材料学院激光材料研究中心钟敏霖团队近期报道了一种双能垒高稳定性超疏水表面的激光制备方法。该方法通过双重复合微结构设计，人为地引入第二 Cassie 状态能垒，使其在热力学上呈现出双能垒的 Cassie 状态，大大地提高 Cassie 状态稳定性与防除冰性能，有望用于实际应用。
团队首先建立了三相界面热力学能量计算模型，探究不同微纳结构的形貌与分布对润湿性转变过程与热力学能量演变的影响机制。他们采用超快激光分步脉冲注入与化学氧化复合的方法，制备出两组不同类型的微纳复合结构。相较于传统的纳米效应单能垒超疏水结构，双能垒结构具有更高的 Cassie 稳定性和更优越的防除冰性能。在-15℃的低温高湿环境下可以维持过冷液体不结冰至少 27000s，且冰粘附强度仅为 0.9 kPa，在连续 48 次连续除冰循环后仍能维持约 20 kPa。
3. 湖北工业大学刘顿教授团队的研究
湖北工业大学刘顿教授团队在国际材料科学领域知名期刊《Composites Science And Technology》上发表了超疏水表面领域最新成果。该研究创新地采用激光处理和化学改性相结合的方法，在柔软的硅橡胶基底上制备了具有周期性阵列结构的复合超疏水表面。此表面具有优异的耐磨损性能，并在外力摩擦、风沙冲击、酸碱腐蚀等各种恶劣条件下保持良好的超疏水性能。
4. 温州大学激光与光电智能制造研究院的成果
据浙江日报6月29日报道，温州大学激光与光电智能制造研究院科研攻关团队取得了关键性进展。他们用激光在金属表面切割出数十个甚至数百个微米级或纳米级的“小山”，使其表面构造类似荷叶，成功做出“超疏水表面”。该团队从2016年起开展名为“面向海工装备的超快激光加工超疏水结构关键技术研究”，目前已形成一套成熟的工艺理论研究，配套的激光设备开发也已完成。研究成果已在上海、台州等多家单位的科考船上进行实验，能减少船只舵叶和螺旋桨上的附着物堆积，实现金属的自清洁。实验证明，原来3天就需要人工清洁的螺旋桨，如今能维持半年不用清理。
这些研究成果在超疏水表面的稳定性、防除冰性能、耐磨损性等方面都有一定的创新和突破，为超疏水表面处理技术的进一步发展和实际应用提供了新的思路和方法。但实际应用中可能还需要考虑成本、大规模生产工艺等因素，以推动该技术在更多领域的广泛应用。
超疏水表面处理技术的应用难点是什么？
耐久性和稳定性：在实际使用中，超疏水表面可能会受到物理磨损、化学侵蚀、温度变化等因素的影响，导致其超疏水性能逐渐下降或丧失。如何提高其在复杂环境中的长期耐久性和稳定性是一个关键问题。
大规模生产：虽然实验室中已经能够制备出超疏水表面，但要实现大规模、低成本、高质量的工业化生产仍具有挑战性。生产工艺的复杂性、生产设备的要求以及原材料的成本等都限制了其广泛应用。
复杂表面的均匀处理：对于具有复杂形状和结构的物体表面，要实现均匀、完整的超疏水处理并非易事，可能会出现局部处理效果不佳的情况。
机械强度：一些超疏水表面的微观结构相对脆弱，在受到外力冲击或摩擦时容易受损，从而影响其性能。
自修复能力：一旦超疏水表面受到损伤，如何实现自我修复以恢复其性能是一个有待解决的难题。
与基底材料的结合力：超疏水涂层与基底材料之间的结合强度可能不足，导致涂层容易剥落或分离
环境适应性：不同的应用场景具有不同的环境条件，如高温、高压、高湿度等，超疏水表面可能在某些极端环境下无法保持良好的性能。
成本问题：部分超疏水表面处理技术所使用的材料和工艺成本较高，限制了其在一些对成本敏感领域的应用。
性能评估标准：目前对于超疏水表面性能的评估标准尚未完全统一，这给不同研究成果之间的比较和实际应用中的质量控制带来了一定困难。
超疏水表面处理技术的发展趋势是什么？
超疏水表面处理技术的发展趋势主要包括以下几个方面：
高性能和耐久性：未来的发展将致力于提高超疏水表面的性能，如更强的疏水性（更高的接触角和更低的滚动角），同时增强其在各种恶劣环境和长期使用条件下的耐久性，包括抗磨损、抗腐蚀、抗紫外线等
多功能集成：除了超疏水性能，还将与其他功能相结合，如自清洁、抗菌、防污、防结冰、抗指纹、油水分离等，以满足不同应用场景的需求。
绿色环保制备方法：研究人员将更注重开发环保、低能耗、无毒害的制备工艺和材料，以减少对环境的影响。
大规模生产技术：为了满足市场需求，需要发展高效、低成本的大规模生产技术，以实现超疏水表面处理技术在工业生产中的广泛应用。
智能响应性：研发能够对环境刺激（如温度、湿度、光照、电场等）做出智能响应的超疏水表面，实现性能的动态调节。
在生物医学领域的应用拓展：例如用于医疗器械的表面处理，以减少细菌附着和生物污垢的形成，或者用于药物输送系统等。
与其他技术的协同发展：与纳米技术、材料科学、表面工程等领域的技术相互融合，创造出更先进的复合表面处理方法。
理论研究的深入：进一步深化对超疏水表面的物理化学机制和性能关系的理论研究，为技术创新提供更坚实的理论基础。
跨领域应用创新：除了传统的工业和建筑领域，还将在能源收集与存储、农业、食品包装等新领域实现创新应用。
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来源：贤集网
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