中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，安徽 合肥 230026
特殊浸润性表面在众多应用领域都发挥着重要作用，因而它的制备不论是在基础科学研究领域还是在工程实际应用方面都具有重要意义。可加工材料广泛以及擅长微纳结构精细设计的优势使飞秒激光成为一种制备各种超浸润微结构表面的有效工具。本综述系统总结了飞秒激光微加工技术在调控材料表面浸润性方面的研究进展。基于飞秒激光对材料表面微纳结构的设计和改性，可以实现超亲水与超疏水性、超疏油性、水下超疏气与超亲气性、液体灌注超滑表面、水下超疏聚合物性、超疏液态金属性、可调黏滞性、各向异性浸润性、智能可调浸润性等一系列极端浸润性质。这些特殊的浸润性使得飞秒激光作用后的材料获得了一系列实际应用，如防水/防油/防气、自清洁、液滴操控、液体图案化、浮力增强、微小液滴/气泡释放、油水分离、水气分离、防结冰、防腐蚀、水下减阻、水雾收集、微流控、柔性电路/电子器件、细胞工程、生物医疗、海水淡化、表面增强拉曼散射等。最后，本文总结讨论了飞秒激光调控材料表面浸润性技术的突出优势以及当前所面临的挑战。
1 九江职业技术学院 电气工程学院, 江西 九江 330007
2 重庆理工大学 光纤传感与光电检测重庆市重点实验室, 智能光纤感知技术重庆市高校工程研究中心, 重庆 400054
为了实现液相中氢气体积分数的准确检测, 该文利用钯、氧化硅超疏水溶胶和倾斜光纤光栅制备了氢气传感器。首先, 在倾斜光纤光栅表面采用磁控溅射法涂覆了一层致密的钯膜, 用于响应氢气体积分数变化信息; 然后, 采用镀膜提拉法在钯膜表面涂覆一层氧化硅超疏水膜, 用于阻止水分子进入钯膜内部, 导致钯膜从光纤表面脱落, 进而增强了传感器在液相环境下运行的稳定性。实验研究了钯膜厚度对传感器氢敏响应特性的影响, 并利用传感器对液相中的氢气体积分数进行了检测。研究结果表明, 传感器能准确响应液相中氢气体积分数的变化信息, 当钯膜厚度为120 nm时, 灵敏度达到-15.29 pm/%, 最大相对误差为8.67%。
倾斜光纤光栅 传感器 液相 氢气浓度 钯膜 超疏水涂膜 tilted fiber grating sensor liquid phase H2 concentration palladium film superhydrophobic coating film
氧化锆陶瓷以其优异的力学性能和生物相容性被广泛用作牙科修复材料。通过表面改性工艺调控氧化锆陶瓷的表面润湿性，可以进一步拓展其在不同领域的应用。基于此，笔者提出了一种高效、低成本的激光加工+硅油修饰+热处理复合工艺，并采用该工艺制备了超疏水氧化锆陶瓷表面。首先通过纳秒激光加工在氧化锆陶瓷表面诱导出周期性多级微纳结构，而后利用硅油异丙醇混合溶液（硅油体积分数为0.4%）修饰+低温热处理来降低激光处理后氧化锆陶瓷的表面能，制备出了表面接触角高达153.8°具有超疏水特性的氧化锆陶瓷。加工前的氧化锆陶瓷的接触角为80.4°±2.1°，展现出亲水性；经纳秒激光加工后，液滴完全浸润表面，接触角变为0°，表面转变为超亲水表面。采用硅油异丙醇混合溶液修饰+低温热处理工艺实现了表面超亲水特性向超疏水特性的转变。超疏水氧化锆陶瓷在空气环境和胶带剥离实验中分别保持了优秀的稳定性和耐久性。通过改变激光的扫描速度及扫描间距可以精准调控液滴在材料表面的润湿性和黏附性。所提方法相较于传统激光加工方法提高了制备效率，降低了生产成本，有望扩展超疏水氧化锆陶瓷在医疗领域的应用。
激光技术 氧化锆陶瓷 超疏水表面 激光加工 微纳结构 表面化学 黏附性 中国激光
2023, 50(16): 1602210
1 楚雄师范学院云南省高校分子光谱重点实验室, 云南楚雄 675000
2 楚雄师范学院光谱应用技术研究所, 云南楚雄 675000
本文以表面超疏水性的紫竹梅叶片为基质, 用疏水浓缩效应制备了银纳米粒子基底。所制备的基底同样具有超疏水性。对探针分子R6G进行了表面增强拉曼散射光谱检测, 当R6G的浓度稀释到 5×10-11 mol/L时都有很明显的特征峰, 说明该基底具有很好的增强效果。另外对紫竹梅叶片的正反表面制备的基底的增强效果进行了研究, 发现其增强程度差别不大, 于是采用正面来制备基底进行进一步实验研究。利用所制备的基底对福美双残留进行检测, 发现其检测限度可达5×10-8 mol/L。低于国标福美双0.1 mg/kg(对应摩尔浓度为4.16×10-7 mol/L)的最大残留限量, 可作为福美双农药残留一种快速的检测方式。该基底制备简单, 在普通实验室就能完成, 有望作为农药残留一种快速有效的检测方法。
银纳米粒子 超疏水 表面增强 福美双 Ag nanoparticles Super hydrophobicity Surface Enhancement Thiram
1 1.中国科学院理化技术研究所 低温工程重点实验室, 北京 100190
2 2.中国科学院大学 材料科学与光电技术学院, 北京 100049
具有分级结构的BN纳米薄膜展现出优异的超疏水性, 但由于该薄膜的制备过程复杂、成本昂贵, 不适宜大规模的生产和应用。与之相比, 基于疏水BN粉体的超疏水涂层的应用会更为便捷。本研究采用镁热还原氮化燃烧合成法结合酸洗工艺制备了疏水的单相BN粉体, 水接触角为(144.6±2.4)°, 疏水性可以归因于BN粉体颗粒具有的微纳分级结构。在此基础上, 以这种燃烧合成的疏水BN粉体为填料制备的BN/氟硅树脂复合涂层进一步表现出超疏水性, 其中质量分数30% BN/FSi树脂涂层的水接触角为(151.2±0.7)°, 滚动角约为8°。该涂层与文献报道的通过CVD方法制备的BN纳米薄膜的性能相当, 但工艺更加简单。这是一种利用陶瓷粉体的疏水性来制备超疏水有机无机复合涂层的简便易行的新方法, 有望获得广泛的工程应用。
燃烧合成 BN 疏水 超疏水涂层 combustion synthesis BN hydrophobicity super-hydrophobic coating
1 福建技术师范学院材料与环境工程学院，福建 福清 350300
2 武夷学院生态与资源工程学院，福州 350007
将光催化活性与超疏水性相结合，一方面通过超疏水作用将污染物通过水珠滚动带走，另一方面通过光催化作用将有机污染物去除，有望具有更好的自清洁效果。通过溶液浸涂法在多孔铝表面涂覆三烷氧基端聚二甲基硅氧烷/二氧化钛(PDMS/TiO2)涂层(APT)。红外光谱和X射线光电子能谱表明TiO2和PDMS之间形成新的键(Ti-O-Si)。扫描电子显微镜和能谱分析结果表明：表面的片层错层结构和低表面能组分PDMS使APT具有超疏水性。APT静态水接触角为161.6°，滚动角小于10°。此外，该涂层在紫外持续照射24 h接触角仍然大于150°，说明APT具有稳定的超疏水性。同时，APT具有光催化活性，可降解和去除表面有机物染料小分子。
超疏水 光催化 自清洁 复合涂层 superhydrophobicity photocatalysis self-cleaning composite coating
1 武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室, 武汉 430070
2 河北省沙河玻璃技术研究院, 河北 邢台 054000
采用化学刻蚀法, 在钠钙硅玻璃表面进行化学刻蚀。以正硅酸乙酯(TEOS)为前驱体制备纳米二氧化硅颗粒, 以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)控制其团聚度, 然后在化学刻蚀后的玻璃表面喷涂不同团聚度的纳米二氧化硅颗粒, 构建多级微纳结构, 进一步经全氟癸基三乙氧基硅烷(PFTS)修饰, 获得超疏水玻璃表面。利用扫描电子显微镜、接触角测量仪等测试方法对涂层的微观形貌、润湿性等进行了表征。结果表明: 所制备的玻璃表面具备牢固的超疏水特性, 经过600目砂纸循环摩擦50次后仍可保持水接触角为156.13°±2°。玻璃表面的超疏水性归因于低表面能物质PFTS和表面微纳结构的共同作用, 其较好的耐磨性归因于玻璃表面刚性的微米级粗糙结构与喷涂的纳米级SiO2颗粒在玻璃表面堆积形成的结构相互交错, 构成了更为耐磨的微-纳结构。
化学刻蚀 超疏水 纳米二氧化硅 耐磨性 喷涂法 chemical etching superhydrophobic nano-silica wear resistance spraying method
1 西安交通大学 电子与信息工程学院，陕西省信息光子技术重点实验室，西安交通大学 机械制造系统工程国家重点实验室，西安 710049
2 西安交通大学 机械工程学院，西安 710049
仿生超疏水表面在油水分离、防结冰、自清洁等方面具有广阔的应用前景。但是由于其表面结构的脆弱所造成的不稳定性，使其在应用时受到较大限制。飞秒激光作为一种通用的微纳加工方法，在超疏水表面的制备中有许多明显的优势，并且适用于几乎任何硬质材料的加工。本文从浸润性的基本模型出发，分析了耐久型超疏水表面的特点，针对耐久型超疏水表面的飞秒激光制备方法以及应用进行了概述，从聚合物、玻璃以及金属等物质的超疏水表面的飞秒激光制备进行了归纳。对超疏水表面在油水分离、防结冰、自清洁等方面的应用研究进行了综述。最后总结了利用飞秒激光制备耐久型超疏水表面所面临的挑战。
耐久性 超疏水表面 飞秒激光 油水分离 抗冰 Durability Superhydrophobic Femtosecond laser Oil-water separation Anti-icing
中国民用航空飞行学院航空工程学院，四川 广汉618307
从超疏水理论出发，基于三种典型的基本润湿性模型揭示了材料表面粗糙度与固液接触面积对于制备超疏水表面的重要性。在此基础上，综述了直接激光写入（DLW）、直接激光干涉图案化（DLIP）以及激光诱导周期性表面结构（LIPSS）方法各自的优缺点。其中：DLW方法利用高能激光束对材料表面进行烧蚀，具备较高的自由度，能在各种材料表面构建任意三维结构，但其表面加工精度较差，难以建立多层次结构；DLIP方法利用多个相干激光形成的干涉图案对材料表面进行有选择的去除，能形成更精细的周期性三维微纳米分级结构；LIPSS方法可在材料表面获得大量空间周期在数百纳米的波纹结构，但加工时间较长。最后，从制备参数、表面结构形貌以及疏水性能等方面对不同的超疏水表面制造方法进行了归纳，并对其研究现状及发展方向进行了分析和探讨。
激光技术 超疏水 激光结构化 直接激光写入 直接激光干涉图案化 激光诱导周期性表面结构 激光与光电子学进展
2022, 59(19): 1900008
1 陕西科技大学材料科学与工程学院,陕西省无机材料绿色制备与功能化重点实验室，西安 710021
2 上海大学文化遗产保护基础科学研究院，上海 200444
以异丁基三乙氧基硅烷(IBTES)和正硅酸乙酯、钛酸丁酯为主要原料，利用溶胶-凝胶(sol-gel)法制备了IBTES-TiO2@SiO2复合溶胶。并通过XRD、FT-IR、SEM、TEM等手段研究了IBTES-TiO2@SiO2的物相组成、微观形貌以及砂岩防护后涂层表面的超疏水、自清洁、耐候性能。结果表明:IBTES-TiO2@SiO2复合涂层的水接触角最高可达162°，且具有优异的自清洁性；喷涂处理后，砂岩的水蒸气透过性能依然保持良好，水蒸气透过量仅降低3.4%。IBTES-TiO2@SiO2复合涂层具有优异的耐候性能，TiO2@SiO2颗粒的加入可有效提高砂岩的耐酸、耐碱和耐紫外线老化性能。在300 h人工加速老化实验中，砂岩表面涂层依然具有超疏水防护性能。IBTES-TiO2@SiO2复合涂层对砂岩石质文物具有良好的防护效果，适用于砂岩石质文物保护。
异丁基三乙氧基硅烷 超疏水涂层 耐候性能 砂岩石质文物 防护性能 TiO2@SiO2 TiO2@SiO2 isobutyltriethoxysilane super-hydrophobic coating weather resistance sandstone cultural relic protective performance
