超疏水表面因其獨(dú)特的微納二元協(xié)同結(jié)構(gòu)及憎 水特 性，在固液界面高效減阻領(lǐng)域具有廣泛應(yīng) 用． 現(xiàn)有的超疏減阻表面大多采用傳統(tǒng)氟化物 分子層做表面修飾，但碳和氟之間的強(qiáng)極性鍵， 具有不易降解，對(duì)人體及生態(tài)具有潛在威脅、易水解 重復(fù)性差且價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)． 本文提出一種可 實(shí)現(xiàn)固液界面減阻的無(wú)氟超疏水表面的制備新方 法，替代氟化物的改性使用，解決不環(huán)保、威脅人體及生態(tài)的問(wèn)題． 將工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的鋁合金 做基底，符合規(guī)模化生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展的需要．

1 超疏表面減阻機(jī)理

用于固液界面減阻的超疏表面制備主要有:
1) 在低表面能疏水材料表面形成微納量級(jí)的粗糙結(jié) 構(gòu);
2) 在高表面能親水固體表面制備微納結(jié)構(gòu)構(gòu)成 超親水表面，再進(jìn)行表面改性修飾為超疏水表面．

1． 1 低表面能修飾對(duì)減阻的影響

液體浸潤(rùn)固體表面是常見(jiàn)的界面現(xiàn)象，常用接 觸角來(lái)表征． 通常將水與固體表面靜態(tài)接觸角小于 90°的固體表面稱(chēng)為親水表面，相反大于 90°的表面 稱(chēng)為疏水表面． 表面是否疏水取決于表面能大小，表 面能大小由表面化學(xué)組成決定． 根據(jù)熱力學(xué)規(guī)律，高 表面能物質(zhì)無(wú)法在低表面能物質(zhì)表面鋪展開(kāi)． 普通 固體表面具有強(qiáng)殘余化學(xué)鍵，表面自由能高，易被液 體潤(rùn)濕，所以降低固體固有表面能形成疏水表面，可 減小液體對(duì)表面的黏滯力．

1． 2 微納結(jié)構(gòu)對(duì)減阻的影響

平整的固體表面在低表面能的修飾下，水的接 觸角最大為 120°，疏水但不超疏水． 自“荷葉效應(yīng)” 起，人們的視角深入微觀(guān)世界，微米及納米量級(jí)結(jié)構(gòu) 排列組合成二元協(xié)同結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)超疏水． 正如汪洋建立的微觀(guān)結(jié)構(gòu)固－液界面空泡減阻模型中， 探討了氣泡與固體表面接觸角及密集度對(duì)固液界面 減阻特性影響，微結(jié)構(gòu)越尖銳越有利于滑移減阻; 微 結(jié)構(gòu)陣列密度越大，疏水表面與水的摩擦阻力越小． 在毛細(xì)效應(yīng)的作用下，微納結(jié)構(gòu)間封存空氣． 如圖 1 所示，當(dāng)液體與固體表面接觸時(shí)，僅固體頂部與液體 接觸，大大減小了固液接觸比例． 所以，合適的微納結(jié)構(gòu)粗糙因子控制固液接觸 比和表面修飾降低表面能是實(shí)現(xiàn)固液界面減阻的兩大關(guān)鍵因素。

2 超疏表面制備方法及表征

不同于以往常規(guī)金屬表面粗糙化處理目的及規(guī) 格，對(duì)于固液超疏界面減阻基底，粗糙量級(jí)需達(dá)到微 米及納米級(jí)，組成上需微米、納米復(fù)合排列二元協(xié)同 結(jié)構(gòu)． 噴砂、拋丸等大型機(jī)械工藝制備的表面粗糙度 過(guò)大，而化學(xué)腐蝕液可通過(guò)點(diǎn)蝕、位錯(cuò)刻蝕形成所需 量級(jí)的粗糙表面． 由于快速制備的需求，在腐蝕液的 選擇上，需要高濃度的強(qiáng)酸或強(qiáng)堿． 但濃硫酸、濃硝 酸會(huì)與鋁發(fā)生鈍化反應(yīng)，強(qiáng)堿常用于表面拋光，遂選 擇鹽酸進(jìn)行化學(xué)刻蝕． 排除鋁合金基底形狀限制因 素，Cl － 快速刻蝕并釋放 Al 3 + ，優(yōu)先腐蝕高能量區(qū)域 并延特定晶面發(fā)展形成具有一定規(guī)律的微納結(jié)構(gòu)． 制備上，首先將 5052 合金切割成 20． 0 mm* 30． 0 mm* 0． 5 mm 的長(zhǎng)方形樣品． 然后用 1 200#砂 紙打磨去除表面氧化層，依次用丙酮、乙醇、去離子 水超聲震蕩清洗，取出后在 60℃ 干燥箱（上海精宏試驗(yàn)設(shè)備有限公司提供）中烘干． 前 處理后，分別用3 M 鹽酸進(jìn)行不同時(shí)間的腐蝕，鑄造 出微納量級(jí)的粗糙表面，去離子水超聲震蕩沖洗，在 80℃干燥箱中烘干． 從腐蝕后的微觀(guān)結(jié)構(gòu)上，

3 超疏減阻測(cè)試

超疏表面穩(wěn)定性一直是實(shí)際應(yīng)用中考量的重要 因素，本文采用浸沒(méi)計(jì)數(shù)法和連續(xù)水滴沖擊的方式 進(jìn)行測(cè)試． 首先將粗糙化處理結(jié)合松香涂層及 10% 炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)修飾的樣品充分浸入水中再取出 80 次以上，超疏表面的完整性并沒(méi)有明顯變化，靜態(tài)接 觸角和滾動(dòng)角仍分別保持在 152°、2° ～ 8°范圍之內(nèi)， 初步說(shuō)明表面具有一定的穩(wěn)定性． 再通過(guò)水滴較長(zhǎng) 時(shí)間連續(xù)沖擊來(lái)進(jìn)一步測(cè)試表面穩(wěn)定性，其中將超 疏表面固定在傾斜角度為 45°的玻璃片上使水滴不 堆積，測(cè)試高度控制為 100 mm，水 滴 以 速 度 為1． 4 m /s沖擊能量約為 13 μJ 左右沖擊表面，每?jī)傻?跌落之間的時(shí)間間隔為 0． 3 ～ 0． 5 s，沖擊 3 h 后靜 態(tài)接觸角如圖 6 所示由 155． 0°變化到 150． 5°，和之 前使用炭黑涂層的文獻(xiàn)1相比，穩(wěn)定性進(jìn)一 步得到優(yōu)化改善，充分說(shuō)明本方法制作的超疏表面 在流動(dòng)液體下長(zhǎng)時(shí)間沖擊下，仍具有良好的穩(wěn)定性．

4 結(jié) 論

1) 采用快速化學(xué)腐蝕法結(jié)合天然松香、炭 黑改性修飾處理，得到一種無(wú)氟制備超疏水表面新 方法，實(shí)現(xiàn)鋁合金材料由親水到超親水再到超疏水 的潤(rùn)濕性轉(zhuǎn)換．
2) 新方法制備出靜態(tài)接觸角為 155． 0°，滾動(dòng)角 僅為 1． 38°的低黏附性鋁合金超疏水表面，經(jīng)減阻 實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試，減阻率達(dá)到 20% ～ 30% ，證明表面 不僅具有憎水特性，還具有良好的減阻特性，總結(jié)整 個(gè)制備過(guò)程，工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、無(wú)氟環(huán)保，利于產(chǎn) 業(yè)化生產(chǎn)．