摘 要：以非洲納米布沙漠甲蟲為仿生對象，研究其親/疏水表面間距分布形成的鞘翅表面集水原理，探究不同親/疏水間距對冷凝集水的影響，確定制備超疏水仿生功能表面的最佳工藝參數。采用激光刻蝕、化學修飾等方法制備疏水仿生功能表面，分析激光刻蝕參數和親/疏間距參數對表面潤濕性的影響規(guī)律，搭建基于太陽能驅動的半導體制冷片冷凝集水裝置，在恒溫恒濕環(huán)境下對不同親/疏水間距的仿生功能表面進行冷凝集水實驗。實驗結果表明，通過調節(jié)激光刻蝕速度和線間距能夠獲得具有不同接觸角的疏水表面，親/疏水相間分布時，疏水部分比例越大則整體接觸角越大，經過化學修飾，最大接觸角為154.51°，當親/疏間距尺寸都為1.5 mm時，仿生功能表面冷凝集水效率最高，分均集水量為0.86 mg/cm2。

關鍵詞：超疏水；激光加工；空氣集水；冷凝；仿生

中圖分類號：TB302" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）23-0030-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.23.007

0" " 引言

水資源短缺是全球長期面臨的重大基礎性難題，對區(qū)域經濟社會的進步和人類自然環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展造成了嚴重威脅[1]?？茖W家們?yōu)榱司徑馑Y源短缺問題和干旱現象，提出了各種方法與措施，如人工降雨、海水淡化等，但這些方法存在成本高、對能源依賴程度大等問題，這在一定程度上限制了這些方法的進一步應用。如何清潔、高效地獲取淡水資源，成為亟待科學家們解決的問題。全世界淡水資源總量的10%以水蒸氣的形式存在于空氣中，若能將這一部分淡水資源以較低的成本加以利用，將大大緩解部分區(qū)域水資源短缺的問題。自然界中存在許多動物或植物可以從空氣中獲取水分，如玫瑰花瓣和水稻葉片等，由于表面特殊的微納結構，能夠在表面形成液滴[2]；蜘蛛絲同樣因為表面纖維結構，能夠捕獲空氣中的水分[3]。這些自然界中的生物從空氣中收集水分的方法為人類提供了借鑒。學者們研究發(fā)現，材料表面特殊的微納結構能夠實現超疏水功能，而這種功能表面是實現空氣集水的重要條件。

超疏水表面一般是指表面接觸角大于150°的平面[4]。超疏水表面制備方法主要分為化學涂覆法和刻蝕法兩種[5]。化學涂覆法主要通過在基體材料表面涂覆一層低表面能化學試劑，形成一層化學薄膜，降低基體材料表面能，減小與水的相互作用，從而形成超疏水表面，獲得疏水性。Gu等[6]設計了一種單元胞顆粒，將其分散于不同樹脂中，可同時賦予涂層超疏水性和機械穩(wěn)定性，克服傳統(tǒng)化學涂覆法制備的超疏水表面耐磨性、持久性不足的缺陷?？涛g法主要分為激光刻蝕法與化學刻蝕法，兩者的共同之處都是在基體材料表面進行刻蝕，改變其表面粗糙度和表面能并獲得疏水性，從而形成超疏水表面。Pan等[7]基于新型飛秒激光技術，將不銹鋼表面制備成具有一定抑菌能力的超疏水槽面。Wang等[8]利用超快激光制備超疏水表面，發(fā)現液滴可以在結冰與融冰循環(huán)中實現Wenzel狀態(tài)到Cassie狀態(tài)的自發(fā)轉變，澄清了轉變的機理，明確了轉變的三個設計準則和形成條件。這一發(fā)現，對于潤濕性理論研究，尤其是超疏水表面的自清潔、抗結冰等廣泛應用具有重要的學術和技術價值。

本文以納米布沙漠甲蟲背部親/疏水間隔表面為仿生對象，通過正交實驗，利用激光刻蝕在1060鋁合金材料表面制備不同參數微結構，通過納米二氧化硅修飾，進一步獲得納米結構，采用接觸角測量儀分析不同微納結構表面接觸角，確定能夠實現超疏水表面的最佳工藝參數，并進一步開展親/疏水間隔表面的制備。在此基礎上，開展冷凝集水實驗，研究不同親/疏水間隔參數對冷凝效率的影響，最終確定高效率空氣集水仿生功能表面制備的最佳工藝參數。

1" " 實驗材料與方案

1.1" " 實驗材料及儀器

選擇1060鋁合金（GB/T 3190—2008）板材作為超疏水仿生功能表面的基體材料，采用中走絲線切割機床（DK7732C，蘇州市寶瑪數控設備有限公司）將板材加工成尺寸為70 mm×50 mm×1 mm的矩形實驗樣品。為了保證鋁合金樣品表面光潔度的一致性，分別采用600#、800#、1 200#金相砂紙（無錫港下精密砂紙廠）對樣品表面進行打磨。打磨后的樣品在超聲波清洗機（CJ-040，深圳市超潔科技實業(yè)有限公司）中洗去油污和雜塵，隨后利用高精度光纖激光刻蝕機（F50W，北京德美鷹華系統(tǒng)科技有限公司）在樣品表面刻蝕微米級微結構陣列，進一步使用納米二氧化硅試劑[粒徑（50±5）nm，上海麥克林生化科技股份有限公司]對微結構表面進行修飾，獲得微納二級微結構表面。依據納米布沙漠甲蟲背部表面結構特征，使用掩模板制備不同參數親/疏水間隔表面，利用接觸角測量儀（JC2000D1，上海中晨數字技術設備有限公司）對各類參數表面隨機選取5個不同位置進行接觸角測量，取平均值為接觸角。搭建基于半導體制冷片（XH-C1201，星河電子科技有限公司）的冷凝實驗裝置，在恒溫恒濕條件下測試不同參數樣品冷凝效率。

1.2" " 激光刻蝕處理

激光刻蝕線間距與激光刻蝕速度直接影響鋁合金表面微結構尺寸，進而影響表面潤濕性。為此，選取3個刻蝕線間距和5個刻蝕速度，開展正交實驗，實驗參數如表1所示。激光刻蝕機分辨率為0.001 mm，重復精度為0.001 mm，刻蝕微結構為微溝槽陣列，陣列尺寸范圍為10 mm×10 mm。

1.3" " 親/疏水間隔表面制備

根據納米布沙漠甲蟲背部親/疏水微結構特征，設置不同參數親水與疏水區(qū)域尺寸，二者相間排列，如圖1所示，具體分布尺寸參數如表2所示。親/疏水間隔表面區(qū)域尺寸為45 mm×55 mm。使用鏤空掩模板覆蓋于鋁合金樣品表面，掩蓋區(qū)域為原始金屬表面，呈親水狀態(tài)。激光刻蝕后采用納米二氧化硅試劑均勻噴涂，常溫下干燥30 min后，測試表面接觸角及冷凝效率。

1.4" " 冷凝集水實驗

冷凝集水實驗裝置如圖2所示，主要由太陽能光伏板（希凱德，36 V/200 W）、穩(wěn)壓器（希凱德，12 V/

24 V）、散熱風扇（12 V）、鋁合金散熱片、半導體制冷片（XH-C1201，星河電子科技有限公司）及本實驗室制備的冷凝集水板組成，該集水板通過導熱硅脂與半導體制冷片冷端貼合。為避免環(huán)境條件變化對冷凝集水實驗造成影響，在恒溫（26 ℃）與恒濕（68%）環(huán)境下進行冷凝實驗。不同集水表面冷凝時間統(tǒng)一為15 min，由于短時間集水量較小，為了精確測量集水量，集水完成后使用吸水紙對各表面的冷凝水進行收集，用分析天平測量吸水紙在收集冷凝水前后的質量，兩者差值即為該表面冷凝集水量。為避免實驗誤差，各表面進行三次冷凝集水實驗，取其平均值為冷凝集水量。綜合表面潤濕性與冷凝集水效率，確定制備冷凝集水仿生功能表面的最佳親/疏水間距參數。

2" " 實驗結果與分析

2.1" " 疏水仿生功能表面制備及潤濕性測試

激光刻蝕線間距和刻蝕速度直接影響金屬表面微結構刻蝕深度，進而影響表面潤濕性。不同參數激光刻蝕表面如圖3所示。

對各個樣品表面接觸角進行測量，液滴為去離子水，液滴體積為5 μL，計算得到平均接觸角如圖4所示。可以看出，在線間距較小時，不同刻蝕速度下接觸角基本保持不變，而線間距較大時，接觸角隨著刻蝕速度的增大而減小。當刻蝕速度大于1 300 mm/s、線間距大于0.15 mm時，測量結果接近無激光處理的原始表面接觸角。當刻蝕線間距為0.2 mm、刻蝕速度為100 mm/s時，表面接觸角最大，達到137.74°。

采用上述最佳疏水表面制備參數，通過激光刻蝕制備不同親/疏水間距的仿生功能表面，并進一步采用納米二氧化硅試劑均勻噴涂。在激光刻蝕和試劑噴涂過程中，使用掩模板對親水部分進行遮蓋，遮蓋部分保持原始親水表面。親/疏水間距表面形貌如圖5所示。

接觸角測量過程中，由于液滴滴落位置具有隨機性，故每個試樣進行至少5次重復測試并取平均值，接觸角測量結果如圖6所示。

可以看出，在相同疏水間距條件下，親水間距越小，接觸角越大；而在相同親水間距條件下，疏水間距越大，接觸角越大。由此可以看出，親水部分的存在會導致接觸角下降，疏水部分所占比例越大，接觸角越大。本實驗中最大接觸角為154.51°，此時，親水間距與疏水間距分別為0.1 mm和1.5 mm。

2.2" " 冷凝集水效率研究

空氣中水蒸氣凝結效率與固/氣溫差、固體表面狀態(tài)、空氣濕度、環(huán)境溫度等因素有關。在恒溫恒濕條件下，采用自行搭建的實驗裝置開展冷凝集水效率實驗。具有不同親/疏水間距參數的試樣表面集水區(qū)域面積為24.75 cm2，冷凝時間達到15 min時收集表面水分。圖7所示為不同參數試樣在15 min時刻的表面液滴凝結狀態(tài)?？梢钥闯?，當親水表面間距K較小時，冷凝狀態(tài)受疏水表面所主導，液滴直徑較小且分布較為均勻。隨著親水表面間距的增加，液滴形態(tài)發(fā)生顯著變化，液滴在疏水表面凝結，達到一定體積后在親水表面聚合，隨后沿親水通道順勢流下。然而，當親水間距K過大且疏水間距L較小時，液滴無法在疏水表面有效凝聚并在臨近親水表面聚合，在整個表面呈均勻分布狀態(tài)。

圖8所示為不同試樣表面集水量統(tǒng)計結果?？梢园l(fā)現，增加親水間距K和疏水間距L可以提高集水效率。

3" " 結論

1）采用高精度激光刻蝕方法在鋁合金表面制備疏水微結構，當刻蝕線間距為0.2 mm、刻蝕速度為100 mm/s時，表面接觸角最大為137.74°。

2）采用以上刻蝕參數制備親/疏水間距表面，在納米二氧化硅試劑修飾下，當親/疏水間距分別為0.1 mm和1.5 mm時，接觸角達到154.51°。

3）搭建了基于太陽能驅動的半導體制冷片冷凝集水裝置，在恒溫恒濕環(huán)境下，親/疏間距都為1.5 mm時分均集水量達到0.86 mg/cm2。

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收稿日期：2024-08-27

作者簡介：鄧坤鐸（2001—），男，湖南永州人，研究方向：機械裝備設計與應用。

通信作者：劉洋（1987—），男，吉林遼源人，博士，講師，研究方向：微成形技術與裝備。