表面功能微纳结构及其加工方法介绍

创作者：何江涛 来源于：高精密智能制造

图1表面张力θ界定和菏叶亲水性构造

1.前言

一直以来，菏叶亲水性状况、护墙板厂家爬壁工作能力等动物与植物所呈现出的非特异能获得大家的关心。伴随着科技的发展和观无损检测技术的发展，科学研究工作人员发觉动物与植物表层具备超能力的根本原因就在于其外表的各种各样独特的外部经济构造。受动物与植物表层微结构构造作用的启迪，近30年以来，对表层功能性微结构构造的科学研究慢慢发展趋势为新起多学科交叉研究领域，已成为了世界各国科学研究网络热点[1]。

根据在原料表层结构不一样的多孔结构，可以使原材料表层具有超疏水、耐磨损减磨、陷光等特点。这在航天航空、电子光学、生物技术、车辆、电力能源等技术领域具备很大的应用前景和技术性使用价值。

2.表层功能性微结构构造归类以及运用

表层微结构构造一般具备纹路构造标准、具备一定的规律性等特性，根据不一样的规格和排列与组合，可使原材料表层主要表现出不一样的作用特点。依据不一样的作用特点，表层微结构构造的基本功能具体分成但不分与下列几类种类。

2.1超疏水表层多孔结构

一般，超疏水的表层就是指表层平稳表面张力θ要超过150°，翻转表面张力要低于10°，如下图1所显示。Barthlott 和 Neinhuls [2]最开始对菏叶“出污泥而不染”的性能开展观查科学研究，发觉菏叶表层具备很多的微突起构造，如下图1所显示。这种微突起的尺寸约10μm，突起中间的间隔约20μm，与此同时凸起表层及突起间遮盖了一层纳米技术棒，纳米技术棒规格在好几百纳米技术，研究表明恰好是这种凸起的微结构构造的存有，使菏叶具备超疏水的特性。

受菏叶微结构构造的启迪，生物学家选用不一样的方式在原料表面上制造出对应的微结构构造，生产制造出人工合成超疏水表层，连峰等[3]将 SiO2金纳米颗粒与含氟量高聚物融合，做成具备低表面的纳米技术塑料薄膜，根据将其遮盖在表层多孔结构上产生了微纳复合结构，该表层表面张力做到168.2°，主要表现出优质的超疏水特性。

因为超疏水表层对水的不两亲性，这使其具备很大的应用前景。

最先可以想起的是防雾镜防冷冻。假如表层是超疏水表层，那麼水珠没法在表层凝固，那麼在气侯严寒的地区，可以在物品表层生产制造超疏水构造，避免物件表层结冻。根据在卫星天线上生产制造出超疏水表层，可以很大程度的减少雪的黏附，可以有效地提升信号的接纳高效率。此外，将超疏水微结构构造运用到飞机机翼表层则可以有效的降低飞机机翼的结冻状况，可以高效提升飞机场的安全系数。

超疏水表层具备自清理作用。因为水珠在超疏水表层具备较高的表面张力和不大的翻转角，非常容易滚下来，在这里全过程中可以将外表的尘土脏物带去，可以完成表层的洁净实际效果。若将此昂关键技术于现代主义建筑的幕墙玻璃，在玻璃窗上生产制造出超疏水表层，那麼可以使夹层玻璃经久不衰，巨大地降低清理成本费。此外将这类超疏水表层运用于太阳能电池板，一样可以具有自清理的作用，降低废弃物尘土对太阳能发电板高效率的危害。

超疏水表层还具备耐腐蚀特性。自然环境的环境湿度一般会危害金属复合材料的的空气氧化浸蚀，根据在金属表层结构相对应的超疏水镀层，可以进一步提高金属表层的耐腐蚀和抗氧化性的特性，在一些不可以应用漆料的场所可以充分发挥关键作用。

2.2陷光构造表层及运用

陷光构造就是指根据反射面、映射、和透射功效，将入射角分散化到每个视角，进而更改表层对光线的消化吸收高效率。研究表明，根据在原料表层结构相对应的微结构构造，可以更改原材料表层对光线的消化率和透射率，从而更改物件表层的色调。如下图2所显示，大自然很多虫类主要表现出五颜六色的色调，便是由于生物表层有各种各样不一样的微结构构造。

图2各种不同生物表层以及表层微纳米技术构造

由于陷光构造可以更改原材料表层的对光波的消化率和透射率，因而可以将这类构造运用到飞机场蒙皮，根据在蒙皮上结构相对应的陷光构造，可以更改飞机场的对无线电波的吸附和透射率，提升飞机场的隐藏特性。此外北京清华大学的钟敏霖专家教授精英团队能够在金属表层结构不一样的微结构构造，使金属表层显出不一样色调。此外该精英团队根据结构陷光构造，使Cu界面的透射率降低到8%上下。长城哈佛专家教授Mazur运用飞秒激光在光伏电池表层生产加工出一定的陷光构造，取得成功制作出透射率几乎为0的“黑硅”，这针对提升太阳能发电板对光线的消化率具备核心实际意义。

图3根据结构多孔结构获得不一样色调Mo表层

2.3减阻减磨表层

大白鲨做为深海的主宰，因为其身型巨大，照理说在水中会出现非常大的摩擦阻力，可是异常的是，大白鲨在水中的摆动速率十分快，这造成了天文学家的关心。通过观查研究表明，鲨鱼皮表层是有很多管沟状的多孔结构构成，如下图4所显示。大白鲨迅速爬行的情况下，这中小型管沟构造可以在肌肤周边产生细微涡旋，减少摩擦阻力。专家学者根据科学研究鲨鱼皮的多孔结构，研制开发出具备减阻实际效果游泳衣。

图4大白鲨不一样位置盾鳞形状

很多的科研操作表明了管沟面减阻的稳定性和实用性，海外的探讨已进到工程项目实用阶段，初期见诸报导的是20 新世纪80 时代法国飞机制造商运用带管沟的飞机场整体机身使飞机场节约然料8%。空中客车公司将A320 试验仪面积的70%贴上管沟塑料薄膜，做到了省油l%-2%的实际效果.NASA诺福克核心对Learjet 型飞机的航行实验表明减阻6%的数量级[6]。

多孔结构减阻层面，Hamilton等人[5]最开始发觉规律性的表层多孔结构具备减磨实际效果，对多孔结构的减磨基础理论开展了剖析，强调表层多孔结构的减磨基本原理来自于多孔结构产生的液态气体压力润化。此后逐渐，多孔结构在固体力学行业的科学研究逐渐造成普遍关心。如下图5所显示，根据在表层结构相对应的微凹痕或微管沟，可以减少原材料表层的滑动摩擦力，与此同时提升材质表层的耐磨性。

图5减磨多孔结构表层

现阶段该科研成果早已运用在燃气轮机活塞杆钢套筒规格，可以高效提升燃气轮机的高效率，而且提升活塞杆套筒规格的使用期限。此外在直推滚动轴承表层生产加工出微管沟或是微凹痕可以增加滚动轴承的摩擦阻力。

3.作用表层制取方式

伴随着对表层微结构构造的科学研究，专家学者们对生产技术明确提出了更好的规定，与此同时，生产加工技术性的发展也为表层微结构构造的科学研究带来了相对的标准。现阶段可以完成表层微结构构造的生产方式具体有下列几类。

（1）光刻技术，运用离子束或激光器光线可以获得生产加工规格在几十微米的微结构构造，该方式优点就是高精度，获得的微结构构造样子可以获得有效的操纵；

（2）飞秒激光生产加工技术性，因为飞秒激光具备不会受到衍射极限限定的特性，可以生产加工出远低于光点外径的规格，科学研究工作人员根据实验发觉，选用飞秒激光生产加工出10nm宽的纳米线，在微结构生产加工行业具备与众不同优点。此外飞秒激光双分子结构汇聚技术性可以完成纳米技术规格构件的生产加工；

（3）自组装加工工艺，光刻技术与自组装和离子注入加工工艺融合，根据自组装加工工艺，可以获得6nm上下的纳米技术孔。

（4）低温等离子离子注入技术性，低温等离子离子注入技术性是运用最普遍的微纳米加工方式，加工精度高，是电子器件生产制造中最重要的加工工艺之一。

（5）堆积法，包括物理学气相色谱堆积和化学气相沉积，该方式主要是运用气相色谱产生的物理学全过程，在产品工件表层产生功能性或装饰艺术的金属材料，可以用于完成微纳米技术构造镀层的生产制造。

（6）微结构增材技术性，微结构增材技术性关键指微结构限度电喷增材和微激光器增材技术性，因为微结构增材技术性可以不会受到样子限定，可以多原材料协作生产制造，具备比较大的发展前途。

除以上几类生产加工技术性外，也有静电纺丝法、纳米技术印压、纳米技术铸造和传统化的金钢石钻削、超高精密微铣技术性还可以完成表层微结构构造的生产加工。

汇总

不一样的表层微结构框架可以出现相对应的作用，伴随着科技的发展，不一样作用的微结构构造表层可能获得越来越多的运用。现阶段表层功能性微结构构造的发展趋势仍遭受工艺技术性的限定，因而，表层微结构构造必须从微纳的结构的制定和生产技术2个层面开展科学研究，科学研究并设计方案不一样作用的微结构构造，提升微结构生产加工的新技术是表层微结构构造科学研究的关键方位。

论文参考文献

[1] 姜涛，杨宏青. 稍短脉冲光生产加工超疏水多功能性多孔结构表层[J], 专用工具技术性

[2] Barthlott W,Neinhuis C. Purity of the sacred lotus, or escape from contamination inbiological surfaces[J].Planta 1997;202:1-8.

[3] 杨周. 仿生技术超疏水作用表层的制取以及特性科学研究[D].北京市: 我国科技进步高校, 2012.

[4] 鹤城游, 吴颖超, 龚鼎为,等. 飞秒激光制取超疏水铜表层以及抗结冻特性[J].中国激光,2015(7): 156—163.

[5] Hamilton D B, Walowit J A, Allen C M. ATheory of Lubrication by Microirregularities[J]. Journal of Basic Engineering,1966, 88(1):177.

[6] 周正阳, 表层多孔结构减阻的原理科学研究与优化[D], 上海市：上海交大，2013.

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