超疏水表面因其獨特的微納二元協同結構及憎 水特 性，在固液界面高效減阻領域具有廣泛應 用． 現有的超疏減阻表面大多采用傳統氟化物 分子層做表面修飾，但碳和氟之間的強極性鍵， 具有不易降解，對人體及生態具有潛在威脅、易水解 重復性差且價格昂貴的缺點． 本文提出一種可 實現固液界面減阻的無氟超疏水表面的制備新方 法，替代氟化物的改性使用，解決不環保、威脅人體及生態的問題． 將工業生產中應用最廣泛的鋁合金 做基底，符合規模化生產和可持續發展的需要．

1 超疏表面減阻機理

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的粗糙結 構;
2) 在高表面能親水固體表面制備微納結構構成 超親水表面，再進行表面改性修飾為超疏水表面．

1． 1 低表面能修飾對減阻的影響

液體浸潤固體表面是常見的界面現象，常用接 觸角來表征． 通常將水與固體表面靜態接觸角小于 90°的固體表面稱為親水表面，相反大于 90°的表面 稱為疏水表面． 表面是否疏水取決于表面能大小，表 面能大小由表面化學組成決定． 根據熱力學規律，高 表面能物質無法在低表面能物質表面鋪展開． 普通 固體表面具有強殘余化學鍵，表面自由能高，易被液 體潤濕，所以降低固體固有表面能形成疏水表面，可 減小液體對表面的黏滯力．

1． 2 微納結構對減阻的影響

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” 起，人們的視角深入微觀世界，微米及納米量級結構 排列組合成二元協同結構可實現超疏水． 正如汪洋建立的微觀結構固－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固液界面 減阻特性影響，微結構越尖銳越有利于滑移減阻; 微 結構陣列密度越大，疏水表面與水的摩擦阻力越小． 在毛細效應的作用下，微納結構間封存空氣． 如圖 1 所示，當液體與固體表面接觸時，僅固體頂部與液體 接觸，大大減小了固液接觸比例． 所以，合適的微納結構粗糙因子控制固液接觸 比和表面修飾降低表面能是實現固液界面減阻的兩大關鍵因素。

2 超疏表面制備方法及表征

不同于以往常規金屬表面粗糙化處理目的及規 格，對于固液超疏界面減阻基底，粗糙量級需達到微 米及納米級，組成上需微米、納米復合排列二元協同 結構． 噴砂、拋丸等大型機械工藝制備的表面粗糙度 過大，而化學腐蝕液可通過點蝕、位錯刻蝕形成所需 量級的粗糙表面． 由于快速制備的需求，在腐蝕液的 選擇上，需要高濃度的強酸或強堿． 但濃硫酸、濃硝 酸會與鋁發生鈍化反應，強堿常用于表面拋光，遂選 擇鹽酸進行化學刻蝕． 排除鋁合金基底形狀限制因 素，Cl － 快速刻蝕并釋放 Al 3 + ，優先腐蝕高能量區域 并延特定晶面發展形成具有一定規律的微納結構． 制備上，首先將 5052 合金切割成 20． 0 mm* 30． 0 mm* 0． 5 mm 的長方形樣品． 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（上海精宏試驗設備有限公司提供）中烘干． 前 處理后，分別用3 M 鹽酸進行不同時間的腐蝕，鑄造 出微納量級的粗糙表面，去離子水超聲震蕩沖洗，在 80℃干燥箱中烘干． 從腐蝕后的微觀結構上，

3 超疏減阻測試

超疏表面穩定性一直是實際應用中考量的重要 因素，本文采用浸沒計數法和連續水滴沖擊的方式 進行測試． 首先將粗糙化處理結合松香涂層及 10% 炭黑質量分數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有明顯變化，靜態接 觸角和滾動角仍分別保持在 152°、2° ～ 8°范圍之內， 初步說明表面具有一定的穩定性． 再通過水滴較長 時間連續沖擊來進一步測試表面穩定性，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，每兩滴 跌落之間的時間間隔為 0． 3 ～ 0． 5 s，沖擊 3 h 后靜 態接觸角如圖 6 所示由 155． 0°變化到 150． 5°，和之 前使用炭黑涂層的文獻1相比，穩定性進一 步得到優化改善，充分說明本方法制作的超疏表面 在流動液體下長時間沖擊下，仍具有良好的穩定性．

4 結 論

1) 采用快速化學腐蝕法結合天然松香、炭 黑改性修飾處理，得到一種無氟制備超疏水表面新 方法，實現鋁合金材料由親水到超親水再到超疏水 的潤濕性轉換．
2) 新方法制備出靜態接觸角為 155． 0°，滾動角 僅為 1． 38°的低黏附性鋁合金超疏水表面，經減阻 實驗裝置測試，減阻率達到 20% ～ 30% ，證明表面 不僅具有憎水特性，還具有良好的減阻特性，總結整 個制備過程，工藝簡單、成本低廉、無氟環保，利于產 業化生產．