作者：何江濤 來源：精密智造

圖1接觸角θ定義和荷葉疏水結(jié)構(gòu)

1.引言

一直以來，荷葉疏水現(xiàn)象、壁虎爬壁能力等動植物所表現(xiàn)出的特異性能得到人們的關(guān)注。隨著科技的發(fā)展和觀檢測技術(shù)的進(jìn)步，研究人員發(fā)現(xiàn)動植物表面具有特異功能的原因在于其表面的各種特殊的微觀結(jié)構(gòu)。受動植物表面微納結(jié)構(gòu)功能的啟發(fā)，近30年來，對表面功能微納結(jié)構(gòu)的研究逐漸發(fā)展成為新興多學(xué)科交叉研究領(lǐng)域，已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)[1]。

通過在材料表面構(gòu)造不同的微結(jié)構(gòu)，可以使材料表面具備超疏水、耐磨減摩、陷光等特性。這在航空航天、微電子、生物材料、汽車、能源等技術(shù)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景和技術(shù)價(jià)值。

2.表面功能微納結(jié)構(gòu)分類及其應(yīng)用

表面微納結(jié)構(gòu)一般具有紋理結(jié)構(gòu)規(guī)則、具有一定的周期性等特點(diǎn)，通過不同的尺寸和排列組合，可使材料表面表現(xiàn)出不同的功能特性。根據(jù)不同的功能特性，表面微納結(jié)構(gòu)的功能主要分為但不限與以下幾種類型。

2.1超疏水表面微結(jié)構(gòu)

一般，超疏水的表面是指表面穩(wěn)定接觸角θ要大于150°，滾動接觸角要小于10°，如圖1所示。Barthlott 和 Neinhuls [2]最早對荷葉“出淤泥而不染”的特性進(jìn)行觀察研究，發(fā)現(xiàn)荷葉表面具有大量的微凸起結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這些微凸起的大小約10μm，凸起之間的間距約20μm，同時(shí)突起表面及凸起間覆蓋了一層納米棒，納米棒尺寸在幾百納米，研究表明正是這些突起的微納結(jié)構(gòu)的存在，使荷葉具有超疏水的性能。

受荷葉微納結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，科學(xué)家采用不同手段在材料表面制備出相應(yīng)的微納結(jié)構(gòu)，制造出人造超疏水表面，連峰等[3]將 SiO2納米粒子與含氟聚合物結(jié)合，制成具有低表面能的納米薄膜，通過將其覆蓋在表面微結(jié)構(gòu)上形成了微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，該表面接觸角達(dá)到168.2°，表現(xiàn)出優(yōu)良的超疏水性能。

由于超疏水表面對水的不親和性，這使其具有巨大的應(yīng)用前景。

首先可以想到的是防霧防冰凍。如果表面是超疏水表面，那么水滴無法在表面凝結(jié)，那么在氣候寒冷的區(qū)域，可以在物體表面制造超疏水結(jié)構(gòu)，防止物體表面結(jié)冰。通過在衛(wèi)星天線上制造出超疏水表面，可以極大的降低雪的粘附，能夠有效提高衛(wèi)星信號的接受效率。另外，將超疏水微納結(jié)構(gòu)應(yīng)用到飛機(jī)機(jī)翼表面則可以有效減少飛機(jī)機(jī)翼的結(jié)冰現(xiàn)象，可以有效提高飛機(jī)的安全性能。

超疏水表面具有自清潔功能。由于水滴在超疏水表面具有較高的接觸角和很小的滾動角，很容易滾落，在此過程中可以將表面的灰塵雜物帶走，可以實(shí)現(xiàn)表面的清潔效果。若將此昂技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代建筑的玻璃幕墻，在玻璃上制造出超疏水表面，那么可以使玻璃歷久彌新，極大地減少清潔成本。另外將這種超疏水表面應(yīng)用于太陽能電池，同樣可以起到自清潔的功能，減少污物灰塵對太陽能電池板效率的影響。

超疏水表面還具有抗腐蝕性能。環(huán)境的濕度一般會影響金屬材料的的氧化腐蝕，通過在金屬表面構(gòu)造相應(yīng)的超疏水涂層，可以進(jìn)一步提高金屬表面的抗腐蝕和抗氧化的性能，在一些不能使用油漆的場合可以發(fā)揮巨大作用。

2.2陷光結(jié)構(gòu)表面及應(yīng)用

陷光結(jié)構(gòu)是指通過反射、折射、和散射作用，將入射光分散到各個(gè)角度，從而改變表面對光的吸收效率。研究表明，通過在材料表面構(gòu)造相應(yīng)的微納結(jié)構(gòu)，可以改變材料表面對光的吸收率和反射率，進(jìn)而改變物體表面的顏色。如圖2所示，自然界許多昆蟲表現(xiàn)出五顏六色的顏色，就是因?yàn)樯矬w表面有各種不同的微納結(jié)構(gòu)。

圖2多種不同生物體表面及其表面微納米結(jié)構(gòu)

因?yàn)橄莨饨Y(jié)構(gòu)可以改變材料表面的對光波的吸收率和反射率，因此可以將這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用到飛機(jī)蒙皮，通過在蒙皮上構(gòu)造相應(yīng)的陷光結(jié)構(gòu)，可以改變飛機(jī)的對電磁波的吸收和反射率，提高飛機(jī)的隱身性能。另外清華大學(xué)的鐘敏霖教授團(tuán)隊(duì)通過在金屬表面構(gòu)造不同的微納結(jié)構(gòu)，使金屬表面顯現(xiàn)出不同顏色。另外該團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)造陷光結(jié)構(gòu)，使Cu表面的反射率下降到8%左右。哈弗教授Mazur利用飛秒激光在單晶硅表面加工出一定的陷光結(jié)構(gòu)，成功制備出反射率幾乎為0的“黑硅”，這對于提高太陽能電池板對光的吸收率具有重要意義。

圖3通過構(gòu)造微結(jié)構(gòu)得到不同顏色Mo表面

2.3減阻減摩表面

鯊魚作為海洋的霸主，由于其體型龐大，按理說在水中會有很大的阻力，但是反常的是，鯊魚在水中的游動速度非常快，這引起了科學(xué)家的關(guān)注。經(jīng)過觀察研究表明，鯊魚皮表面是有許多溝槽狀的微結(jié)構(gòu)組成，如圖4所示。鯊魚快速游動的時(shí)候，這中微溝槽結(jié)構(gòu)可以在皮膚附近形成微小漩渦，減小阻力。學(xué)者通過研究鯊魚皮的微結(jié)構(gòu)，研制出具有減阻效果游泳衣。

圖4鯊魚不同部位盾鱗形態(tài)

大量的研究工作表明了溝槽面減阻的可靠性和應(yīng)用性，國外的研究已進(jìn)入工程實(shí)用階段，早期見諸報(bào)道的是20 世紀(jì)80 年代德國飛機(jī)制造商利用帶溝槽的飛機(jī)機(jī)身使飛機(jī)節(jié)省燃料8%。空中客車公司將A320 試驗(yàn)機(jī)表面積的70%貼上溝槽薄膜，達(dá)到了節(jié)油l%-2%的效果.NASA蘭利中心對Learjet 型飛機(jī)的飛行試驗(yàn)表明減阻6%的量級[6]。

微結(jié)構(gòu)減阻方面，Hamilton等人[5]最早發(fā)現(xiàn)周期性的表面微結(jié)構(gòu)具有減摩效果，對微結(jié)構(gòu)的減摩理論進(jìn)行了分析，指出表面微結(jié)構(gòu)的減摩原理來自于微結(jié)構(gòu)形成的液體動壓潤滑。自此開始，微結(jié)構(gòu)在摩擦學(xué)領(lǐng)域的研究開始引起廣泛關(guān)注。如圖5所示，通過在表面構(gòu)造相應(yīng)的微凹坑或微溝槽，可以減小材料表面的摩擦力，同時(shí)提高材料表面的耐磨性能。

圖5減摩微結(jié)構(gòu)表面

目前該研究成果已經(jīng)應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)活塞鋼套筒，可以有效提高內(nèi)燃機(jī)的效率，并且提高活塞套筒的使用壽命。另外在直推軸承表面加工出微溝槽或者微凹坑可以減小軸承的摩擦系數(shù)。

3.功能表面制備方法

隨著對表面微納結(jié)構(gòu)的研究，學(xué)者們對制造技術(shù)提出了更高的要求，同時(shí)，加工技術(shù)的進(jìn)步也為表面微納結(jié)構(gòu)的研究提供了相應(yīng)的條件。目前可以實(shí)現(xiàn)表面微納結(jié)構(gòu)的加工方法主要有以下幾種。

（1）光刻技術(shù)，利用電子束或激光光束可以得到加工尺寸在幾十納米的微納結(jié)構(gòu)，該方法優(yōu)勢在于精度高，得到的微納結(jié)構(gòu)形狀可以得到很好的控制；

（2）飛秒激光加工技術(shù)，由于飛秒激光具有不受衍射極限限制的特點(diǎn)，可以加工出遠(yuǎn)小于光斑直徑的尺寸，研究人員通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用飛秒激光加工出10nm寬的納米線，在微納加工領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢。另外飛秒激光雙分子聚合技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)納米尺寸結(jié)構(gòu)的加工；

（3）自組裝工藝，光刻與自組裝和刻蝕工藝結(jié)合，通過自組裝工藝，可以得到6nm左右的納米孔。

（4）等離子刻蝕技術(shù)，等離子刻蝕技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的微納米加工手段，加工精度高，是集成電路制造中最關(guān)鍵的工藝之一。

（5）沉積法，主要包括物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積，該方法主要是利用氣相發(fā)生的物理化學(xué)過程，在工件表面形成功能型或裝飾性的金屬，可以用來實(shí)現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)涂層的制造。

（6）微納增材制造技術(shù)，微納增材制造技術(shù)主要指微納尺度電噴增材制造和微激光增材制造技術(shù)，由于微納增材技術(shù)可以不受形狀限制，可多材料協(xié)同制造，具有較大的發(fā)展前景。

除以上幾種加工技術(shù)外，還有靜電紡絲法、納米壓印、納米鑄造和傳統(tǒng)的金剛石切削、超精密微銑技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)表面微納結(jié)構(gòu)的加工。

總結(jié)

不同的表面微納結(jié)構(gòu)可以呈現(xiàn)出相應(yīng)的功能，隨著科技的發(fā)展，不同功能的微納結(jié)構(gòu)表面將會得到更多的應(yīng)用。目前表面功能微納結(jié)構(gòu)的發(fā)展仍受到加工技術(shù)的限制，因此，表面微納結(jié)構(gòu)需要從微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行研究，研究并設(shè)計(jì)不同功能的微納結(jié)構(gòu)，提高微納加工的技術(shù)是表面微納結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn)方向。

參考文獻(xiàn)

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