上海交大《ACS AMI》:通过3D打印制备大尺寸蘑菇状柔性超疏水仿生微结构

2021-09-01

近日,上海交大机械与动力工程学院胡松涛副教授课题组设计并制备了具备机械强度的柔性超疏水仿生微结构,兼具抗液性与耐磨性,相关研究成果在机械装备抗液防冰等领域具有重要的应用前景。该成果以“Biomimetic Water-Repelling Surfaces with Robustly Flexible Structures”为题发表于ACS Applied Materials & Interfaces期刊。


现有的面向低温冲击液滴的超疏水界面工作遵循刚性和柔性两类设计原则,可有效缩短固液接触时间,但受限于苛刻的固液冲击定位要求。研究团队在之前工作中,借鉴跳虫胸壳的蘑菇状仿生结构来抵抗冲击液滴,但将底部立柱状刚性支撑替换为弹簧状柔性支撑来调整结构的整体力学性能,形成了“类皮肤-肌肉”柔性超疏水界面微结构的设计思想。该结构被证实可消除界面润湿性能对液滴冲击定位的依赖,但受限于弱机械强度。因此,研究团队改进了柔性微结构设计,形成了由刚性平板和柔性弹簧组所构成的大尺寸蘑菇状超疏水仿生微结构。研究团队采用面投影微立体光刻3D打印技术(nanoArch S140,摩方精密)高效、精准地实现了上述界面设计的样机制备。

 

 

界面设计与制备(蘑菇平板阵列,宽度2800μm,厚度100μm,间隔200μm;弹簧支柱:自由高度2000μm,中径500μm,线径90μm,线圈数8个)


柔性蘑菇状超疏水仿生界面结构被证明可承受常规的法向挤压和水平剪切行为;在实际摩擦行为中,较刚性结构有更好的耐磨性。

 

 

界面机械强度


柔性蘑菇状超疏水仿生界面结构被证实可以通过触发结构振动来缩短固液接触时间。进一步,研究团队指出液滴在冲击结构自身与相邻结构间隙时存在明显差异,揭示了内在力学机理,并应用于抵抗液滴的斜向冲击。

 

 

固液接触时间与力学机理


瑞士苏黎世联邦理工学院Andrew J. deMello教授课题组、英国帝国理工学院Daniele Dini教授课题组和宁波大学李锦棒助理教授课题组为合作单位。工作得到国家自然科学基金青年科学基金、中国科协青年托举工程、机械系统与振动国家重点实验室重点自主课题的支持。


原文链接:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c10157