超疏水表面研究是生物、物理、材料等學科交叉的新興仿生研究領域。表面粗糙結(jié)構(gòu)是超疏水性質(zhì)形成原因。Wenzel 與 Cassie-Baxter 模型分別描述了水滴是否滲入表面微結(jié)構(gòu)時粗糙度對疏水性質(zhì)的影響。兩類超疏水表面可以具有較大的靜態(tài)接觸角卻可以表現(xiàn)出完全不同的性質(zhì)，不同的是水滴在固體表面如果處于 Wenzel 態(tài)則會表面出較大粘附力。而水滴在固體表面如果處于Cassie-Baxter 態(tài)則同時具備較小的滾動角。處于 Cassie-Baxter 態(tài)的超疏水表面稱之為穩(wěn)定超疏水表面（荷葉效應），目前對超疏水現(xiàn)象的研究目的是制備具有穩(wěn)定超疏水性的仿生表面。

    超疏水表面的性能研究

   （一）防水性

    如果固體表面是穩(wěn)定超疏水表面，則水滴在該表面上的靜態(tài)接觸角大于150°，同時滾動角小于 10°，較大的靜態(tài)接觸角意味著水滴在固體表面上的接觸面積相對縮小，較小的滾動角意味著只要表面稍微傾斜水滴便會從固體表面上滑落，即使固體表面存在 d : fL、裂縫等間隙，超疏水表面球形水滴葉不會沿著間隙滲入固體內(nèi)部。縮小的水滴與固體接觸面積以及水滴極易從固體表面上滑落可以有效的隔絕固體表面與水的接觸，因此制備具有超疏水表面的高壓電網(wǎng)可有效減緩冬季覆冰危害。水滴不會沿著間隙滲入固體內(nèi)部則可解決防銹漆因存在小孔、裂縫等問題引起的腐蝕。因此超疏水表面可以增強防銹漆的防氧化抗腐蝕能力。

    （二）自清潔

    類似荷葉的超疏水表面具有自清潔的特殊性質(zhì)，這也是荷葉能夠“出淤泥而不染”成為東方文化象征的原因。超疏水表面特殊的微結(jié)構(gòu)使得污染物附著力降低，水滴在超疏水表面較小的滾動角使得雨水極易發(fā)生滾動并且?guī)ё呶廴疚铩Ｊ沟帽砻姹３指蓛簟Ｒ虼嗽诟邔幽μ齑髽遣ＡП砻嬷苽涑杷砻婵梢詼p少維護清潔的成本。

    （三）減小流體阻力

    Cassie-Baxter 模型中。表面微結(jié)構(gòu)中駐留大量空氣是超疏水表面形成的原因。即水與超疏水表面的實際接觸面是由液一固界面與液一氣界面兩種界面組成的。超疏水表面在流體中發(fā)生相對運動時。液一氣界面的摩擦系數(shù)遠遠小于液一固界面的摩擦系數(shù)，因此超疏水表面在流體中運動的摩擦阻力會減小實現(xiàn)減小流體阻力的目的。制備超疏水表面的水管或者輸油管道，減小流體在管道中運動的摩擦阻力。有望降低遠程流體管道運輸?shù)某杀尽Ｍ瑫r超疏水表面可以降低艦船的流體阻力，節(jié)約能源消耗。

    超疏水表面的軍事應用進展

    超疏水表面防水、自清潔、水下減阻等特殊性質(zhì)對軍事武器裝備未來的功能表面制備提供了新的解決方案，超疏水表面在軍事裝備尤其是在水面艦艇、潛艇、魚雷等海軍裝備表面處理方面潛在應用價值巨大。

    （一）水下減阻

    水面與水下運動航行體受到的阻力遠遠大于相同情況下在空氣中運動的阻力，在功率不變的情況下降低水下阻力可以提高航速，在航速不變的情況下降低水下阻力可以增大航程。雖然航行體受到的水下阻力構(gòu)成比較復雜，但是表面摩擦阻力占到相當大的比例。尤其是潛艇魚雷等完全浸沒在水中運動的航行體。因此降低摩擦阻力對水下減阻具有重要意義也是水下減阻研究的重要領域之一。處于 Cassie-Baxter 態(tài)的超疏水表面駐留大量氣體，航行體與海洋接觸面實際由固一液界面與氣一液界面兩種界面組成。而氣一液界面摩擦系數(shù)遠遠低于固一液界面的摩擦系數(shù)，超疏水表面實際采用氣一液界面替代固一液界面的方式降低了航行體的水下阻力。超疏水表面駐留的氣體易受到壓力、水流等因素的影響隨時間失去而無法獲得補充，因此超疏水表面有效減阻時間與減阻效率同樣是重要的減阻衡量指標。海洋航行體表面超疏水化處，雖然目前超疏水表面減阻的方式存在速度低、水深淺、時間短等限制條件。但依然是一種簡單高效的水下減阻方式，一旦研究突破這些問題將會得到大規(guī)模軍事應用。

    （二）海洋防腐

    海洋環(huán)境下金屬很容易發(fā)生氧化腐蝕，無論是海軍水面艦艇、潛艇、甚至是沿海或海島上的陸地設施都受到氧化腐蝕的威脅。南海高溫、高濕、高鹽環(huán)境更是加劇了氧化腐蝕，對金屬材料海軍裝備構(gòu)成巨大的威脅。菲律賓非法擱淺在仁愛礁的登陸艦因無法返廠維護保養(yǎng)幾乎已經(jīng)銹通瀕臨解體。隨著我國海軍活動范圍逐漸增大尤其是南海活動增多，海洋防腐日益迫切。目前金屬防腐主要采用犧牲陽極或外加電源改變金屬的電勢分布、表面刷防銹漆等手段，成本較高且只能延緩腐蝕。不能根本解決問題。超疏水表面具有防水的性質(zhì)，可以阻斷水分與金屬材質(zhì)的接觸從而緩解水面艦艇水線以上部分的氧化腐蝕難題。通過增加表面粗糙度方法制備環(huán)氧化合物超疏水表面涂層。既可以利用超疏水表面防水性質(zhì)阻止水分沿著涂層縫隙進入形成孔蝕，又結(jié)合了環(huán)氧化合物作為防銹漆的致密隔水性能，達到更好的防氧化抗腐蝕的效果。

    （三）艦艇抗結(jié)冰

    低緯度寒區(qū)航行的水面艦艇甲板上浪以后很容易結(jié)冰，最終在艦艇表面形成覆冰現(xiàn)象。去年長期在溫暖海域活動的韓國海軍驅(qū)逐艦崔瑩號赴俄羅斯符拉迪沃斯托克港訪問。在寒區(qū)航行形成嚴重的覆冰現(xiàn)象，嚴重覆冰甚至改變了艦艇的重心造成艦艇傾斜面臨傾覆危險。艦艇覆冰是海軍長期存在的問題，但是到目前為止艦艇表面除冰的這種除冰方式消耗大量人力并且效率低下。超疏水表面防水性質(zhì)可以提升艦艇表面的抗結(jié)冰的性質(zhì)，對低緯度寒區(qū)航行的艦艇有重要意義。超疏水表面軍事應用研究在國外已經(jīng)展開，美國海軍與空軍對超疏水表面進行研發(fā)與裝備。美國海軍已經(jīng)宣布將開始為水面艦艇披上一層由防水材料制成的保護外衣。這種外衣將保護艦上的傳感器、武器系統(tǒng)以及其他暴露在外的裝備以防被鹽霧銹蝕侵害。同時可以節(jié)約因遭受腐蝕而進行維護消耗的時間與金錢。目前美國海軍麥克福爾號驅(qū)逐艦已經(jīng)使用了這種防水外衣，并且計劃投資 620 億采購 80 套實現(xiàn)每艦一套。同樣作為美國空軍實驗室管理的小企業(yè)技術轉(zhuǎn)移的一部分。海貝公司計劃開發(fā)超疏水涂層，防止飛機腐蝕同時減少機翼表面冰集結(jié)的問題。

    超疏水表面的制備方法

    隨著以荷葉效應為代表的自然界超疏水表面發(fā)現(xiàn)。人們逐漸認識到低表面能材料與微納表面粗糙結(jié)構(gòu)是超疏水性質(zhì)形成的主要原因，同時人工制備仿生超疏水表面以實現(xiàn)特定的應用價值成為該領域研究的熱點。目前已知的超疏水表面制備方式很多，根據(jù)其自身性質(zhì)的不同主要可以區(qū)分為以下 3 大類。即：模板法、自下而上（Bottom—up）的化學合成法與自上而下（Top—down）的物理刻蝕法。

    （一）模板法

    模板法制備超疏水表面是指先獲得特定微納結(jié)構(gòu)作為母版，再通過壓印剝離的方式獲得母版相反結(jié)構(gòu)的樣品。實現(xiàn)表面微納粗糙結(jié)構(gòu)制備的方法。首先，采用模板法可以直接克隆自然界已經(jīng)存在的超疏水表面。獲得與自然界完全相同微納表面結(jié)構(gòu)的表面。這是超疏水表面研究的重要制備方法。早期人們采用模板法通過兩次 PDMS 壓印成型的方式獲得了與荷葉表面具有相同微納結(jié)構(gòu)的環(huán)氧聚合物超疏水表面。研究了超疏水性質(zhì)對環(huán)氧聚合物作為防腐蝕涂料性能的改善。其次，制備可重復壓印使用的模板可以減少直接微納加工的次數(shù)降低表面微結(jié)構(gòu)制備的成本，是一種低成本大規(guī)模制備超疏水表面的方法，在未來的實際應用中具有重要意義。通常采用超精加工或微納加工工藝獲得基于傳統(tǒng)堅固材料具備一定微納表面粗糙結(jié)構(gòu)的模板，在其表面旋涂 PDMS 材料固化剝離后獲得柔性超疏水表面，因為通常使用金屬或硅片作為壓印模板，可以多次重復使用降低超疏水表面制備的成本。同時模板也可以使用天然存在的非生物粗糙表面樣品，例如以天然多孔的氧化鋁為模板擠壓獲得超疏水的聚丙烯腈或聚乙烯醇纖維表面。

    （二）化學合成法

    化學合成法是對采用化學方式直接獲得表面粗糙結(jié)構(gòu)的所有方法的概括，包括溶膠一凝膠法、自組裝法、化學沉積法、交替沉積等制備方法。化學合成法是一種至自下而上的表面微納結(jié)構(gòu)制備方法。其特點是采用特定的工藝設備讓材料本身自發(fā)形成特定的仿生粗糙微結(jié)構(gòu)，通常化學合成法制備的粗糙結(jié)構(gòu)需要低表面能有機物的修飾進一步增強疏水效果。溶膠一凝膠法是一種兩步制備的方式。溶膠通常是在溶劑中水解相應的氧化物來制備，在凝膠形成過程中。大量的溶劑會填充在網(wǎng)格中形成果凍狀從而形成粗糙結(jié)構(gòu)，例如在二氧化硅溶膠中加入二氧化硅納米顆粒。自組裝法是利用材料本身的特性形成表面粗糙結(jié)構(gòu)，例如可以利用自組裝的方式將二甲基氯化銨與硅酸鈉的多層薄膜沉積在涂有二氧化硅粒子的基底上。化學沉積法類似于自組裝法，利用化學反應本身的特性形成表面粗糙結(jié)構(gòu)，根據(jù)沉積方法的不同分為化學氣相沉積法與電化學沉積法。例如可以利用化學氣相沉積的方法在硅表面沉積氨丙基三甲氧基硅烷形成氨基功能化表面，再以不同鏈長的脂肪酸修飾甚至可以調(diào)節(jié)表面濕潤性。交替沉積法采用酸或電解等方式處理性質(zhì)不同多層膜獲得粗糙結(jié)構(gòu)，例如交替沉積的聚烯丙基氨鹽（聚陽離子）與聚烯丙酸（聚陰離子）多層膜在酸處理后會自然產(chǎn)生蜂窩多孔粗糙結(jié)構(gòu)。化學合成法種類繁多，通常采用先獲得粗糙結(jié)構(gòu)再低表面能物質(zhì)修飾的方法，這是一種針對性很強的方法。

   （三）物理刻蝕法

    物理刻蝕法采用物理方式對固體表面進行微加工實現(xiàn)特定的表面微結(jié)構(gòu)。是一種自上而下的超疏水表面制備方法。物理刻蝕的方法工藝簡單成熟，起步很早，早期物理刻蝕法主要是采用干法或濕法刻蝕硅片獲得周期性陣列的方式及超疏水結(jié)構(gòu)，但是成本高效率低的缺點限制了該方法的發(fā)展，近期物理刻蝕法發(fā)展迅速甚至獲得金屬超疏水表面以及將完全親水材料表面超疏水化的重大成果。首先是激光刻蝕的方法進一步發(fā)展。通過超短飛秒激光脈沖轟擊銅或鈦金屬，這些超高能激光脈沖會在金屬表面刻蝕出大量細紋。在這些紋路上密集分布且高低不平的納米結(jié)構(gòu)改變了金屬表面的濕潤性質(zhì)。其實是進一步改進了周期性陣列疏水表面單元結(jié)構(gòu)，采用 T字型甚至是蘑菇型的異性結(jié)構(gòu)設計，通過 MEMS 工藝制備的超疏水表面使得完全親水的有機液滴呈現(xiàn)大于 150°的靜態(tài)接觸角。物理刻蝕的方法不同于上面提到的化學合成法依賴于表面材料涂層，物理刻蝕方法徹底改變了固體表面的性質(zhì)。這種粗糙結(jié)構(gòu)因為結(jié)合力問題隨著時間脫落。

    未來趨勢

    超疏水表面研究領域是典型的多學科交叉領域。雖然疏水理論很早就已經(jīng)獲得。但是直到 20 世紀末荷葉表面微結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)才開始被關注。超疏水表面研究目前是一個發(fā)展快速的研究領域，每年發(fā)表的相關文獻數(shù)目在快速增長，超疏水表面理論、性質(zhì)、制備、應用等得到了廣泛而深入的研究。目前超疏水表面理論依然有待完善，制備工藝有待進一步提高并降低成本，制備表面的耐磨損性質(zhì)也同樣有待提高。一旦超疏水表面制備與耐磨損性質(zhì)獲得研究突破，有望在未來軍事裝備與國民經(jīng)濟上廣泛應用。

資料來源：網(wǎng)絡