导　　师： 任露泉

学科专业： H05

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 吉林大学

摘　　要： 疏水，特别是超疏水表面以其优异的憎水性在自清洁材料、微流体装置以及生物材料等许多领域有着重要的应用前景，倍受广泛关注。人们已经制备出许多人工疏水表面。金属材料在工业生产上和日常生活中越来越显示其重要性。因此，在具有高表面能的金属或合金基体上构建疏水表面成为近年来一个新兴领域和研究热点。本文从仿生学角度出发，基于耦合仿生理论，采用多种方法在铝合金和铜表面制备了疏水表面。进一步验证了固体表面的疏水性取决于表面形态、微-纳复合结构及化学组成的三元耦合。具体主要研究工作如下：1、选取典型荷叶为生物原型，通过激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）、扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)对比观察分析了荷叶上、下表面的微观形貌、组织结构和化学成分。结果表明，荷叶上、下表面的化学成分相近，即覆盖一层蜡纸晶粒，而不同的是荷叶上表面由于存在微米级乳突形态和乳突上分布若干纳米绒突形成的复合结构，其疏水性强于只有单一“网格”状微观形态的下表面。模拟荷叶这一现象，建立了两种金属表面仿生耦合疏水模型，即由非光滑微形态、微-纳复合结构和低能材料三元耦合的仿生模型和微米形态与微-纳复合结构二元耦合的仿生模型。2、在仿生铝合金表面，采用硬质阳极氧化技术和分子自组装法制备了仿生耦合超疏水表面。利用LSCM、SEM和接触角测量仪对仿生氧化铝表面进行了表征。结果表明，仿生氧化铝表面形成了由较小微米尺度的氧化铝团聚体组成的凸凹不平的“小山丘”形态和微-微复合结构。其表面水接触角从小于90°提到约137°，而未低能化处理实现了金属表面由亲水到疏水的转变。继而采用分子自组装法，用十八烷基硫醇进行修饰，使仿生氧化铝表面获得了150±2°的超疏水特性。3、通过碱性湿化学刻蚀及其与阳极氧化相结合的方法对铝合金表面进行仿生疏水处理。利用LSCM、SEM、FESEM、XPS和接触角测量仪对仿生疏水表面进行了表征。结果表明，碱刻蚀铝表面获得了微米级非光滑形态，其水接触角平均增加到约118ｏ；而由碱刻蚀与阳极氧化相结合方法制备的氧化铝表面，同时获得了微观非光滑形态和微米级凹凸不平与纳米级的团簇凸包及孔洞构成的复合结构，其水接触角达到约148ｏ，未经低能化处理，获得与荷叶下表面非常接近的表面形貌和疏水特性。4、通过电沉积技术与低温氧化法结合，在碳钢基体上制备了复合铜薄膜，获得水接触角约150ｏ的超疏水特性。通过LSCM、SEM、XPS和接触角测量仪对复合铜薄膜表面进行了表征。结果表明，经上述方法处理后，碳钢表面形成了具有由大纳米尺度（500nm-1μm）的球状单体构成的类乳突状团簇体，和团簇体与团簇体之间的小纳米尺度的空隙构成的微-纳复合结构的仿生耦合铜薄膜。这种仿生耦合铜薄膜的形态和结构使其具有与荷叶上表面接近的粗糙度和疏水特性，水接触角接近150ｏ。5、基于生物耦合及其仿生原理与规律，提出金属表面构建多元耦合仿生疏水特性机制，并揭示出其共性规律，实现高能表面从亲水到疏水的转变。

关 键 词： 荷叶 铝合金 铜膜 疏水性 仿生耦合表面 微观形貌 复合结构

分 类 号： [TB383.1]

领　　域： [一般工业技术]