圖1 等離子噴涂原理圖

    等離子噴涂技術根據噴涂原料狀態不同分為大氣等離子噴涂和液相等離子噴涂。大氣等離子噴涂的原料為干燥的陶瓷或者金屬粉末，為了保證噴涂時良好的粉末流動性，噴涂粉末粒徑一般在10 μm以上。液相等離子噴涂的原料為含有噴涂材料的溶液，又分為懸浮液等離子噴涂（SPS）和溶液前驅體等離子噴涂（SPPS）。SPS的原料為含亞微米或者納米粒子的分散懸浮液，懸浮液的溶劑通常為水和乙醇。SPPS的原料為涂層材料的前驅體鹽溶液，溶劑為水、乙醇或者其他有機溶液。無論是大氣等離子噴涂還是液相等離子噴涂，制備超疏水表面都分為一步法和兩步法制備。

    利用大氣等離子噴涂兩步法制備超疏水表面時，首先需要構造具有分層結構的粗糙表面。這種分層結構一般為微米/亞微米尺寸，稍大于傳統的超疏水表面所需要的微米/納米尺寸，但進一步低表面能修飾就能使涂層具有超疏水性。制備具有吸附和分解空氣中CO₂能力的活性金屬涂層或者具有自發吸附空氣中碳質的涂層能一步實現涂層的超疏水性，但這種自發疏水化的過程往往耗時較長。采用改進型的噴嘴實現金屬/有機混合雙噴可一步制備立刻超疏水的涂層。

    液相等離子噴涂兩步法制備主要采用SPS的方法，一步法制備主要采用SPPS的方法。利用SPS方法首先構造具有微納米尺寸的分層結構，進一步的低表面能處理即可獲得超疏水涂層。SPPS采用自身具有疏水性的稀土氧化物鹽溶液為原料，在一定噴涂參數下可一步制備超疏水表面。液相等離子噴涂制備的超疏水表面疏水性能略高于大氣等離子噴涂。主要原因是大氣等離子噴涂所制備的雙層粗糙結構一般都為微米/亞微米量級，液相等離子噴涂制備的粗糙結構更容易達到微米/納米量級，因此，在相同的條件下，液相等離子噴涂制備的涂層具有更好的疏水性能。

    利用等離子噴涂來制備超疏水表面具有噴涂過程簡單高效、操作簡單、制備成本低等優勢。同時，等離子噴涂更加容易制備耐磨性和耐候性優異的超疏水涂層。噴涂材料一般為陶瓷或者金屬材料，相比有機物為主要成分的涂層具有更好的耐磨性和耐候性，如采用稀土氧化物制備的疏水涂層具有優異的耐磨性和高溫穩定性。然而，作為一種新的制備超疏水表面的技術，相關研究還處在發展階段，也存在一些需要解決的問題：首先，工藝參數探索復雜。超疏水的雙層粗糙結構需要在特定的噴涂參數下實現，噴涂熱輸入量，保護氣和送粉氣的類型以及壓力，噴涂材料類型及尺寸形狀等都對涂層的最終形貌產生巨大的影響。建立噴涂參數、材料、形貌之間的對應關系是目前利用等離子噴涂制備超疏水表面需要做的基礎工作。其次，原料成本，制備效率與性能之間的平衡難以取舍。常規的兩步法制備需要先噴涂出分層粗糙結構，然后利用低表面能物質修飾才能達到超疏水狀態。這樣的制備方法相對來說程序繁瑣，比較耗時。一步法制備需要在噴涂原料中加入低表面能的聚合物，或直接采用自身具有疏水特性的稀土氧化物。但聚合物會降低涂層的耐磨性能，稀土氧化物成本高昂。如何在原料成本，制備效率和性能之間找到平衡點也是利用等離子噴涂制備超疏水表面所面臨的挑戰之一。

原文出處：

李少偉，李疆，田煜，鄭雁軍

材料工程

2023,51(2): 67-79

DOI:10.11868/j.issn.1001-4381.2022.000209