技术摘要：
本发明公开了一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面设计方法，首先利用扫描电子显微镜与三维白光形貌干涉仪对猪笼草滑移区进行微形貌观测并获取微形貌结构特征参数；根据所提取的微形貌结构特征参数建立一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面仿生模型，基于Cassie 全部
背景技术：
超疏水表面指的是静态接触角大于150°且滚动角小于10°的微纳结构表面。生物 在长期自然进化过程中，形成了构形独特、超疏水性能优异的材料表面，如猪笼草滑移区、 水黾脚掌、荷叶表面等。这些动植物体表微形貌结构特征能够截留空气层，以此有效减小液 滴与材料表面的接触面积产生的特殊浸润特性，受此启发，学者相继开展研究并仿生研制 出功能优异的超疏水材料。这些超疏水材料在日常生活领域、工程领域发挥极其重要的作 用，如自清洁涂层、防雾玻璃、金属防腐蚀、船舰减阻等。 液体在固体表面产生的接触角是衡量润湿特性的重要标准，接触角是固、液、气3 界面之间表面张力平衡的结果，张力平衡时体系总能量趋于最少，固体表面上的液滴处于 稳定状态。Wenzel模型认为当液滴与固体表面接触时能够将粗糙表面的微形貌结构完全浸 没，呈现完全润湿状态；并提出了Wenzel方程，其中为液滴接触角，为粗糙度因子，则为液滴 在光滑表面的本质接触角。随后Cassie-Baxter模型被提出，认为接触面是由液滴、固体表 面微形貌结构、微形貌结构内部存留的空气等3部分组成，据此得出，其中是接触角，是本征 接触角，是粗糙度系数。材料表面之所以具有超疏水性能，主要是因为表面微形貌结构形成 了较大比例的气-液界面来维持Cassie-Baxter状态，使得材料表面呈现较大的接触角。设 计超疏水表面的关键是如何设计材料表面微形貌结构以确保液滴能稳定存在于Cassie- Baxter状态。猪笼草滑移区覆盖着由微米级月骨体和纳米级蜡质晶体组成的复合微形貌结 构，能够呈现低黏附超疏水润湿特性，为超疏水表面研制提供了仿生原型。 中国发明专利CN105550476A公开了一种微柱结构稳定超疏水表面的可控设计方 法，从最小能量原理的角度出发提出液滴形成稳定 Cassie-Baxter状态的临界高度准则， 可作为设计稳定超疏水微形貌结构的一种理论判据；通过计算临界高度对能否形成稳定 Cassie-Baxter状态进行理论预测，从而实现超疏水表面的可控设计；其提出的周期排列微 柱结构超疏水表面设计方法仅对于微柱高度、微柱间距、微柱底面边长的影响机制进行了 说明，但局限于传统的柱状凸起结构模型，构型比较复杂，并且超疏水性能不具备各向同 性。中国发明专利CN101819125A公开了一种光栅结构稳定超疏水表面设计方法，推导出光 栅结构的特征参数与超疏水性能之间的数值关系；可通过调控结构特征参数来实现超疏水 性能的提升；但提出的超疏水表面设计方法依然存在超疏水功效并不具备各向同性等问 题。 综上所述，现有的超疏水表面设计方法虽能通过调整结构特征参数实现所设计的 超疏水表面功效的调控，但超疏水功效不具有各向同性。因此，提出一种仿猪笼草滑移区的 3 CN 111595273 A 说 明 书 2/5 页 各向同性超疏水表面设计方法，并且基于Cassie-Baxter模型给出所设计的超疏水表面功 能表现机制，该设计方法具有超疏水功效可调控、超疏水功效各向同性等特点。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面设 计方法，基于Cassie-Baxter模型给出所设计的超疏水表面的超疏水功能表现机制，能够实 现各向同性超疏水表面的可控设计，由此设计方法设计的超疏水表面具有超疏水功效可调 控、超疏水功效各向同性等特点。 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种仿猪笼草滑移区的各向 同性超疏水表面设计方法，其特征在于包括如下步骤： 步骤1，首先利用扫描电子显微镜与三维白光形貌干涉仪对猪笼草滑移区进行微形貌 观测并获取微形貌结构特征参数； 步骤2，根据所提取的微形貌结构特征参数建立一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏 水表面仿生模型，基于Cassie-Baxter模型计算出一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水 表面的微形貌结构特征参数与超疏水功能之间的数值关系； 步骤3，根据推导出的数值关系，通过调节微形貌结构特征参数，来调控仿猪笼草滑移 区的各向同性超疏水表面的超疏水功效。 在上述方案的基础上，所述各向同性超疏水表面仿生模型为月骨体构型成的球 冠结构，球冠结构的表面垂直分布有圆柱体阵列，圆柱体阵列为蜡质晶体构型而成。其目的 是使设计的超疏水表面呈现形貌结构方面的各向同性，以此促使液滴沿任何方向的滚动角 都相同，最终导致超疏水功效的各向同性。 在上述方案的基础上，所述的数值关系为 式中：和分别表示接触角理论值和本征接触角，水滴在光滑蜡质晶体表面的本征接触 角一般为100°～110°；表示液滴实际浸润固体面积与表观几何接触面积的比值；R为球冠投 影圆半径，H为球冠顶端到基部的高度，和分别表示单个圆柱体的半径和高；表示圆柱体阵 列投影面积与基部面积的比值。 在上述方案的基础上，将所述微形貌结构的特征参数作为预设值带入权利要求3 中的公式，计算液滴在仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面的接触角，通过接触角大小 即可判定各向同性超疏水表面是否具有较好的超疏水功能。 在上述方案的基础上，通过调控所述特征参数中圆柱体的高度与半径的比值，即 可提升仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面的超疏水功效。 在上述方案的基础上，所述圆柱体阵列的蜡质晶体层交错排列成网状，且具有微 纳尺度的结构特征参数，所产生的孔洞能够蓄留空气，形成液-气-固接触界面。 采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明通过对猪笼草滑移区微形貌结 构参数的表征，基于Cassie-Baxter模型给出结构特征与超疏水功效之间的数值关系，从而 得到一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面设计方法，能够实现超疏水功效可调控与 超疏水功效各向同性。在该方法中，通过改变仿生模型中球冠与圆柱体阵列的结构参数，即 4 CN 111595273 A 说 明 书 3/5 页 提高圆柱体阵列的高度与半径的比值，可调控所设计的超疏水表面的超疏水功效，即液滴 接触角的大小，从而实现各向同性超疏水表面的可控设计。 附图说明 图1本发明的整体结构示意图； 图2 本发明的球冠结构示意图； 图3本发明的圆柱体阵列结构示意图； 图4 本发明的设计流程图。
本发明公开了一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面设计方法，首先利用扫描电子显微镜与三维白光形貌干涉仪对猪笼草滑移区进行微形貌观测并获取微形貌结构特征参数；根据所提取的微形貌结构特征参数建立一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面仿生模型，基于Cassie 全部
背景技术：
超疏水表面指的是静态接触角大于150°且滚动角小于10°的微纳结构表面。生物 在长期自然进化过程中，形成了构形独特、超疏水性能优异的材料表面，如猪笼草滑移区、 水黾脚掌、荷叶表面等。这些动植物体表微形貌结构特征能够截留空气层，以此有效减小液 滴与材料表面的接触面积产生的特殊浸润特性，受此启发，学者相继开展研究并仿生研制 出功能优异的超疏水材料。这些超疏水材料在日常生活领域、工程领域发挥极其重要的作 用，如自清洁涂层、防雾玻璃、金属防腐蚀、船舰减阻等。 液体在固体表面产生的接触角是衡量润湿特性的重要标准，接触角是固、液、气3 界面之间表面张力平衡的结果，张力平衡时体系总能量趋于最少，固体表面上的液滴处于 稳定状态。Wenzel模型认为当液滴与固体表面接触时能够将粗糙表面的微形貌结构完全浸 没，呈现完全润湿状态；并提出了Wenzel方程，其中为液滴接触角，为粗糙度因子，则为液滴 在光滑表面的本质接触角。随后Cassie-Baxter模型被提出，认为接触面是由液滴、固体表 面微形貌结构、微形貌结构内部存留的空气等3部分组成，据此得出，其中是接触角，是本征 接触角，是粗糙度系数。材料表面之所以具有超疏水性能，主要是因为表面微形貌结构形成 了较大比例的气-液界面来维持Cassie-Baxter状态，使得材料表面呈现较大的接触角。设 计超疏水表面的关键是如何设计材料表面微形貌结构以确保液滴能稳定存在于Cassie- Baxter状态。猪笼草滑移区覆盖着由微米级月骨体和纳米级蜡质晶体组成的复合微形貌结 构，能够呈现低黏附超疏水润湿特性，为超疏水表面研制提供了仿生原型。 中国发明专利CN105550476A公开了一种微柱结构稳定超疏水表面的可控设计方 法，从最小能量原理的角度出发提出液滴形成稳定 Cassie-Baxter状态的临界高度准则， 可作为设计稳定超疏水微形貌结构的一种理论判据；通过计算临界高度对能否形成稳定 Cassie-Baxter状态进行理论预测，从而实现超疏水表面的可控设计；其提出的周期排列微 柱结构超疏水表面设计方法仅对于微柱高度、微柱间距、微柱底面边长的影响机制进行了 说明，但局限于传统的柱状凸起结构模型，构型比较复杂，并且超疏水性能不具备各向同 性。中国发明专利CN101819125A公开了一种光栅结构稳定超疏水表面设计方法，推导出光 栅结构的特征参数与超疏水性能之间的数值关系；可通过调控结构特征参数来实现超疏水 性能的提升；但提出的超疏水表面设计方法依然存在超疏水功效并不具备各向同性等问 题。 综上所述，现有的超疏水表面设计方法虽能通过调整结构特征参数实现所设计的 超疏水表面功效的调控，但超疏水功效不具有各向同性。因此，提出一种仿猪笼草滑移区的 3 CN 111595273 A 说 明 书 2/5 页 各向同性超疏水表面设计方法，并且基于Cassie-Baxter模型给出所设计的超疏水表面功 能表现机制，该设计方法具有超疏水功效可调控、超疏水功效各向同性等特点。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面设 计方法，基于Cassie-Baxter模型给出所设计的超疏水表面的超疏水功能表现机制，能够实 现各向同性超疏水表面的可控设计，由此设计方法设计的超疏水表面具有超疏水功效可调 控、超疏水功效各向同性等特点。 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种仿猪笼草滑移区的各向 同性超疏水表面设计方法，其特征在于包括如下步骤： 步骤1，首先利用扫描电子显微镜与三维白光形貌干涉仪对猪笼草滑移区进行微形貌 观测并获取微形貌结构特征参数； 步骤2，根据所提取的微形貌结构特征参数建立一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏 水表面仿生模型，基于Cassie-Baxter模型计算出一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水 表面的微形貌结构特征参数与超疏水功能之间的数值关系； 步骤3，根据推导出的数值关系，通过调节微形貌结构特征参数，来调控仿猪笼草滑移 区的各向同性超疏水表面的超疏水功效。 在上述方案的基础上，所述各向同性超疏水表面仿生模型为月骨体构型成的球 冠结构，球冠结构的表面垂直分布有圆柱体阵列，圆柱体阵列为蜡质晶体构型而成。其目的 是使设计的超疏水表面呈现形貌结构方面的各向同性，以此促使液滴沿任何方向的滚动角 都相同，最终导致超疏水功效的各向同性。 在上述方案的基础上，所述的数值关系为 式中：和分别表示接触角理论值和本征接触角，水滴在光滑蜡质晶体表面的本征接触 角一般为100°～110°；表示液滴实际浸润固体面积与表观几何接触面积的比值；R为球冠投 影圆半径，H为球冠顶端到基部的高度，和分别表示单个圆柱体的半径和高；表示圆柱体阵 列投影面积与基部面积的比值。 在上述方案的基础上，将所述微形貌结构的特征参数作为预设值带入权利要求3 中的公式，计算液滴在仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面的接触角，通过接触角大小 即可判定各向同性超疏水表面是否具有较好的超疏水功能。 在上述方案的基础上，通过调控所述特征参数中圆柱体的高度与半径的比值，即 可提升仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面的超疏水功效。 在上述方案的基础上，所述圆柱体阵列的蜡质晶体层交错排列成网状，且具有微 纳尺度的结构特征参数，所产生的孔洞能够蓄留空气，形成液-气-固接触界面。 采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明通过对猪笼草滑移区微形貌结 构参数的表征，基于Cassie-Baxter模型给出结构特征与超疏水功效之间的数值关系，从而 得到一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面设计方法，能够实现超疏水功效可调控与 超疏水功效各向同性。在该方法中，通过改变仿生模型中球冠与圆柱体阵列的结构参数，即 4 CN 111595273 A 说 明 书 3/5 页 提高圆柱体阵列的高度与半径的比值，可调控所设计的超疏水表面的超疏水功效，即液滴 接触角的大小，从而实现各向同性超疏水表面的可控设计。 附图说明 图1本发明的整体结构示意图； 图2 本发明的球冠结构示意图； 图3本发明的圆柱体阵列结构示意图； 图4 本发明的设计流程图。
