一種具備多層級微納結構的疏水表面

本發明涉及表面，尤其是涉及一種具備多層級微納結構的疏水表面。

背景技術：

1、疏水表面具有自清潔、防水、防霧、防黏附和防污染等功能，廣泛應用于微流控、軍事、生物醫學工程以及日常生活中。當表面的靜態接觸角處于90°～150°之間時，該表面可被定義為疏水表面。為了實現這種疏水特性，研究人員開發了多種人工微納結構，其中常見的單一尺度結構包括不同形狀的柱體、錐形、梯形單體結構，或周期性排列的孔洞結構。這些微納結構能夠影響表面上水滴的浸潤行為，使水滴呈現wenzel態或cassie態。然而，當外界壓力或能量足夠高時，液滴很容易突破能量壁壘，導致表面疏水性能不穩定，這對防腐蝕、自清潔、減阻等工程應用十分不利。

2、現有技術中，雖然單一尺度的微納結構可以有效構建疏水表面，但其疏水穩定性較差，極易被液體穿透，導致粗糙結構失效。此外，現有多層級微納復合結構雖然能夠增強表面的疏水穩定性能，但其加工步驟復雜，難以實現大規模生產。因此，如何在保持表面疏水性能的同時，提升其機械穩定性，成為一個亟待解決的問題。

技術實現思路

1、針對現有技術存在的上述問題，本發明提供了一種多層級微納結構，通過改變激光燒灼或光刻的深度，構建出多層級微納結構，有效強化了液滴與粗糙表面的疏水穩定性。這些多級結構相當于為水滴設置了多個不同的能量屏障，液體需要逐步突破這些屏障，才能完全浸潤表面。因此，這種多層級結構設計使得水滴極難從cassie態轉變為wenzel態，從而保持表面的非浸潤特性和穩定的疏水性能。該結構具有實施過程簡單、工藝便捷、經濟性良好、疏水穩定性強等特點。

2、本發明的技術方案如下：

3、一種具備多層級微納結構的疏水表面，包括基底材料和位于基底材料表面的多層級微納米結構；

4、所述多層級微納米結構由數量不少于一個的結構單元組成；所述結構單元為柱狀結構或錐型結構，并且高度不完全相同；

5、結構單元的排布方式如下：

6、(1-1)在基底材料表面選定一個方向作為x軸方向；沿著x軸方向，將一組高度相同的結構單元排成一條直線；

7、(1-2)沿著垂直于x軸方向的y軸方向，復制出另一組高度相同并且也排成直線的結構單元，但是這組結構單元的高度比上一組略小；

8、(1-3)沿著y軸方向繼續重復排列新的一組結構單元，而且高度繼續減少；當高度減少到一定程度之后，改為增加；

9、沿著x軸方向觀察，結構單元排列成多條直線，并且每條直線上的結構單元的高度都是相同的；沿著y軸方向觀察，結構單元也排列成多條直線，但是每條直線上的結構單元的高度是波浪狀變化的，先減少后增加，不斷重復；

10、采用平面幾何的方式來描述時，結構單元的排布方式如下：

11、(2-1)垂直于基底材料表面，作一個穿過一系列結構單元的平面，稱為剖平面；結構單元在剖平面上的投影輪廓稱為剖面圖；結構單元的剖面圖形狀包括：矩形、梯形、三角形；

12、(2-2)沿著剖平面的方向將數量不少于一個的結構單元組成一個集體，稱為為一維基元組；一維基元組內部的結構單元按照不同高度進行排列，比如：高度先遞增后遞減，或者高度先遞減后遞增；

13、(2-3)在基底材料表面沿著兩個相互垂直的方向，即平行于剖面圖的方向和垂直于剖面圖的方向，不斷復制一維基元組，形成一個由不同高度的結構單元組成的粗糙結構，即多層級微納米結構。

14、進一步的，所述基底材料的疏水靜態接觸角大于90°。

15、進一步的，結構單元的排布方式如下：

16、(3-1)在基底材料表面選定一個區域，在該區域內部設置數量不少于一個的結構單元，稱為二維基元組；位于區域中心的結構單元，高度最小；距離區域中心越遠的結構單元，高度越大；

17、(3-2)在基底材料表面選定一個方向作為x軸方向；沿著x軸方向不斷復制二維基元組，得到一條以二維基元組為點的直線；沿著垂直于x軸方向的y軸方向不斷復制該直線，得到多層級微納米結構。

18、進一步的，所述結構單元形狀包括：長方體、正方體、棱柱、球體、圓柱、圓錐、棱柱。

19、本發明有益的技術效果在于：

20、(1)構建的多層級微納結構大大增加了液體潤濕壁面過程中的阻力，從而降低了液體完全潤濕壁面的可能性。與現有的單層結構相比，本發明提出的多層級結構設計為壁面創建了多個疏水能量壁壘，液體只有突破多層阻礙，才能接觸基底表面。因此，該壁面極難浸潤，顯著提高了壁面的疏水穩定性。尤其在高碰撞速度或高動能環境下，提出的多層級結構表面仍能保持長期的超疏水特性；

21、(2)通過光刻、激光、壓印等技術直接在基底上構建多層級結構，避免了現有技術中微納復合結構加工步驟繁瑣的缺點。該方法不需要額外的模板或復雜的蝕刻工藝，能夠實現高效、精確且可控的結構制造，有利于大規模生產。

技術特征：

1.一種具備多層級微納結構的疏水表面，其特征在于：

2.根據權利要求1所述的一種具備多層級微納結構的疏水表面，其特征在于，所述基底材料的疏水靜態接觸角大于90°。

3.根據權利要求1所述的一種具備多層級微納結構的疏水表面，其特征在于：

4.根據權利要求1所述的一種具備多層級微納結構的疏水表面，其特征在于：

技術總結
本發明公開了一種具有多層級微納結構的疏水表面，通過光刻、激光、壓印等一次成型技術在固體表面形成先逐級遞減后逐級遞增的多層級微納幾何結構。該多層級微納結構基于設計的多個不同高度或尺度的微納層級，為液體潤濕壁面過程設置了多個能量壁壘。液體必須層層突破所有這些能量壁壘，才能完全浸入到基底表面。由于多尺度和多能級壁壘的存在，液體最終很難突破每一個能量壁壘，因此該多層級微納結構壁面能夠有效保持疏水狀態。本發明的多層級疏水表面具備良好的非浸潤特性，具有自清潔、防水、防污等功能，適用于自清潔、減阻、防冰、微流控、軍事、生物醫學工程等多個領域。此外，本發明還具有一次成型、加工簡單、工藝便捷、經濟性良好等優點。

技術研發人員：袁志成,劉洋,曾令杰,朱煥林,王天宇,李凱奇,胡明玥
受保護的技術使用者：同濟大學
技術研發日：
技術公布日：2025/3/6