基于此，西南科大王山林研究團隊設(shè)計并制造了一種超耐用的全壽命超疏水復合塊材，通過將近零收縮的超疏水二氧化硅氣凝膠嵌入到類十二面體結(jié)構(gòu)的剛性鐵鎳泡沫中。填充材料和骨架材料之間的協(xié)同保護作用確保了復合塊材的超強機械穩(wěn)定性，如，高達~7.4 MPa的高抗壓強度和經(jīng)過5萬次循環(huán)后低至~0.567 mm的超低Taber磨損。此外，該復合塊材獨特的類沙漠甲蟲結(jié)構(gòu)使其在40K過冷度下實現(xiàn)高達~3,114.3 mg min^-1 cm^-2的高效集水能力。這種堅固的材料系統(tǒng)為設(shè)計能夠承受極端條件（包括高溫、潮濕、壓力和磨損）的超疏水材料提供了一種新的策略。該成果以題為“Superdurable full-life superhydrophobic composite block”在Advanced Materials上在線發(fā)表。第一及通訊作者為王山林副教授，共同第一作者為2020級碩士研究生趙智猛（現(xiàn)于國防科技大學攻讀博士學位），通訊單位為西南科技大學。

超疏水復合塊材的結(jié)構(gòu)設(shè)計

超疏水復合塊材的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足兩個設(shè)計標準：（1）用于微骨架結(jié)構(gòu)的材料具有固有的抗壓縮和耐磨性；（2）超疏水納米填料在微骨架內(nèi)具有一致性和致密性。使得超疏水納米填料在壓縮或摩擦條件下的產(chǎn)生的額外支撐力可以有效地平衡微骨架的彎曲應(yīng)力，因此整體機械性能得到極大地提高。

圖1 超疏水復合塊材的結(jié)構(gòu)設(shè)計

超疏水復合塊材的制備與表征

近零收縮的二氧化硅氣凝膠的百分百絕對填充是影響超疏水復合塊材優(yōu)異多功能性的關(guān)鍵因素，可以直接影響復合塊材的機械性能和超疏水特性。通過micro-CT以非破壞性方式重建的三維虛擬模型顯示了我們超疏水復合塊材的制備過程，經(jīng)過灌注、溶膠-凝膠、干燥和氟化等連續(xù)過程制備可得。表面的微觀形貌和代表元素(Fe、Ni、Si、O)的分布圖表明，具有納米孔結(jié)構(gòu)的二氧化硅氣凝膠均勻填充在鐵鎳泡沫中。Micro-CT切片圖像進一步證明了二氧化硅氣凝膠的一致性及其微骨架的占比(8-20%)。可定制形狀的復雜組件“SWUST”字母樣品使得復合塊材具有可定制的原位制造潛力，適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用，特別是在具有專門結(jié)構(gòu)的設(shè)備中。這些結(jié)果充分證實了我們的超疏水復合塊材的制備是成功的，符合上述結(jié)構(gòu)設(shè)計標準，這將為下面關(guān)于力學性能的討論提供可靠的保證。

圖2 超疏水復合塊材的制備與表征

超疏水復合塊材的機械穩(wěn)定性

基于我們的設(shè)計，微骨架增強題和超疏水納米填料的協(xié)同作用顯著提高了整體復合材料結(jié)構(gòu)的機械性能。泡沫鐵鎳和二氧化硅氣凝膠的最大抗壓強度僅為0.9 MPa (7%)和0.7 MPa (10%)。而超疏水復合塊材在8%應(yīng)變下的抗壓強度高達7.4 MPa，甚至達到了泡沫混凝土砌塊的應(yīng)用標準。通過對此進行受力分析(F = (FIN + FSA)/(1 - (h/l)2(1 - ε)2))充分證實了微米級增強體與超疏水納米填料之間的相互支撐是大幅度提高復合塊體抗壓強度的有效策略。優(yōu)異的機械耐磨性也是超疏水材料走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵。通過對超疏水復合塊材的全壽命超疏水性機理進行分析可知。一方面，鐵鎳泡沫微骨架可以有效保護超疏水二氧化硅氣凝膠，提供較強的耐磨性。另一方面，致密的氣凝膠也可以反向保護微骨架在磨損過程中不發(fā)生彎曲變形。根據(jù)直徑約為110 μm，長度約為500 μm的理想泡沫鐵鎳模型，這確保了小于20%的微骨架面積暴露在超疏水復合塊材表面。通過Cassie-Baxter模型，如果f < 20%，表明超疏水復合塊材在多次機械磨損后仍保持其非潤濕性。

更重要的是，即使經(jīng)過5萬次磨損循環(huán)，超疏水復合塊材仍然可以保持靜態(tài)接觸角(SCA)大于150°，滾動角(RA)小于20°，相對高度保持在94.3%，且二氧化硅氣凝膠仍然緊密地填充在鐵鎳微骨架中，沒有明顯的變形，從而保證了其動態(tài)拒水滴性。這遠遠超過了現(xiàn)有的超疏水材料的報道。

圖3 超疏水復合塊材的機械魯棒性

超疏水復合塊材表面的水收集性能

沙漠甲蟲可以通過其囊體的不均勻潤濕性來解決獲取飲用水的挑戰(zhàn)，這是一種仿生結(jié)構(gòu)，在水收集領(lǐng)域受到了相當大的關(guān)注。根據(jù)我們的設(shè)計，超疏水復合塊材可以通過微骨架和二氧化硅氣凝膠提供親水點和超疏水區(qū)域來構(gòu)建非均勻潤濕結(jié)構(gòu)，并通過微骨架的導熱性和氣凝膠的絕緣性能形成熱通道。表明我們可以通過控制熱傳導通道(鐵鎳微骨架)與表面環(huán)境之間的溫差來加速冷凝，并保持超疏水氣凝膠上穩(wěn)定的滴狀冷凝以及時脫附，從而顯著提高集水效率。當ΔT = 40 K時，WHR從ΔT = 0 K時的2355.625 mg cm-2 h-1增加到3114.375 mg cm-2 h-1。這與我們最初的設(shè)計是一致的，即隨著微骨架過冷度的增加，液滴成核和生長速度會有效提高，氣凝膠超疏水表面可以保證液滴的有效解吸。為了進一步證明這一點，隨著ΔT濃度的增加，液滴的平均直徑、覆蓋率和更換頻率均呈增加趨勢。進一步證實了通過提高過冷度來提高集水效率的策略是積極有效的，其集水效率遠高于以往報道。這表明我們的超疏水復合塊材對極端環(huán)境具有良好的適應(yīng)性，這對擴大其應(yīng)用范圍具有重要意義。

圖4 超疏水復合塊材表面的水收集性能

小結(jié)

該工作首次展示了一種協(xié)同保護設(shè)計，以實現(xiàn)具有高抗壓強度和超低磨損率的全壽命超疏水復合塊體。這一進展解決了傳統(tǒng)超疏水表面不能承受持久機械應(yīng)力的功能失效問題。通過填充近零收縮超疏水二氧化硅氣凝膠，復合塊體的抗壓強度可由鐵鎳泡沫的~0.9 MPa提高到驚人的~7.4 MPa，其Taber耐磨性也可達到前所未有的88183 r mm-1，甚至超過CS-10橡膠砂輪的耐磨性(6849 r mm-1)。此外，復合塊體獨特的非均勻潤濕性不僅具有沙漠甲蟲的高效集水特性，而且在過冷度為40 K時，利用微骨架的熱通道和納米填料的絕熱性，可使水收集效率提高32.2%。這種協(xié)同保護將為在復雜環(huán)境中設(shè)計具有持久性和穩(wěn)定性與一體的工程化實際應(yīng)用的超疏水材料提供新的策略。

作者簡介：

王山林，西南科技大學材料與化學學院&環(huán)境友好能源材料國家重點實驗室&生物質(zhì)材料教育部工程研究中心，副教授，碩士生導師，四川省學術(shù)和技術(shù)帶頭人后備人選，中國機械工程學會材料分會委員、全國材料與器件科學家智庫功能材料與器件專家委員、全國研究生教育評估監(jiān)測專家?guī)鞂＜摇Ｖ饕獜氖卤斫缑娣雷o材料的設(shè)計與開發(fā)研究，先后主持國家自然科學基金面上項目、青年基金項目等科研項目10余項,以一作或通訊作者身份在Adv. Mater.、Chem. Eng. J.、J. Mater. Chem. A等期刊發(fā)表論文20余篇（封面論文2篇），申請專利20余件（轉(zhuǎn)化4件，最高金額101萬元），研究成果已依托企業(yè)服務(wù)于中物院、九洲等多個軍工單位。獲省級教學團隊1個、課程3個，教學競賽獲獎5項。指導學生主持科技項目3項，科技競賽獲獎10余項，獲校優(yōu)秀畢業(yè)生2人、優(yōu)秀畢業(yè)/學位論文3篇。