上海交通大学：《力学仿生——启示与探索》课程教学资源（讲课讲稿）4吴靖瑶

荷叶效应 文献分析 超疏水性及自清洁效应 骆曼箬吴靖瑶

荷叶效应 超疏水性及自清洁效应 文献分析 骆曼箬 吴靖瑶

1 应用前景 2 主要内容 目录 3 研究过程 CONTENT 研究结果 5 研究展望

1 2 3 4 应用前景 主要内容 研究过程 研究结果 目录 CONTENT 5 研究展望

应用前景 ·建筑表面防水防尘 ·衣物的防污 ·餐桌布拒水拒油 ·汽车防护罩 ·自动喷漆器

• 建筑表面防水防尘 • 衣物的防污 • 餐桌布拒水拒油 • 汽车防护罩 • 自动喷漆器 • …… 应用前景 1

主要内容 ·测量得到较高精度的接触角 ·Wenzel态和Cassie态下水滴润湿性质的不同 ·超疏水表面对于不同粒度的沙粒的自清洁能力

• 测量得到较高精度的接触角 • Wenzel态和Cassie态下水滴润湿性质的不同 • 超疏水表面对于不同粒度的沙粒的自清洁能力 主要内容 2

Wenzel态和Cassie态 为了描述粗糙表面上液滴的接触角， R.Venzel和A.Cassie分别提出了两种液滴和 表面接触的模型。R.Wenzeli认为液滴将粗糙 固体表面所有凹凸处均填满；而A.Cassie认 为在液滴与表面接触处形成三相接触，在固 体表面的凹陷处填充有少量空气。 事实上H.Kusumaatmaja等通过在超疏水表面 研究液滴的蒸发凝结过程得出结论：Wenzel 态和Cassie态实际上是液滴在不同初始条件下 所达到的不同亚稳态；从一种态变化至另一种 态需要越过很大的势垒，液滴在该过程中会自 发碎裂，因此，改变液滴的形成方式，可以改 变其在粗糙固体表面的状态，从而改变固体对 (a)Wenzel:态 (b)Cassie态 于液滴的润湿性能

事实上H.Kusumaatmaja等通过在超疏水表面 研究液滴的蒸发凝结过程得出结论：Wenzel 态和Cassie态实际上是液滴在不同初始条件下 所达到的不同亚稳态；从一种态变化至另一种 态需要越过很大的势垒，液滴在该过程中会自 发碎裂，因此，改变液滴的形成方式，可以改 变其在粗糙固体表面的状态，从而改变固体对 于液滴的润湿性能。 Wenzel态和Cassie态 为了描述粗糙表面上液滴的接触角， R.Wenzel和A.Cassie分别提出了两种液滴和 表面接触的模型。R.Wenzel认为液滴将粗糙 固体表面所有凹凸处均填满；而A.Cassie认 为在液滴与表面接触处形成三相接触，在固 体表面的凹陷处填充有少量空气

自清洁效应 自清洁效应实际上是超疏水表面的动态润湿 行为，当水滴在超疏水表面运动时，其一定处于 Cassie态（水滴与固体表面接触的表面积中有很 大一部分与空气直接接触，因而当水滴发生运动 时，摩擦阻力相对较小)。此外，水滴的表面张 力使得其形状接近于球体，因此水滴在超疏水表 面上的运动类似于球体的滚动。当水滴遇到尺寸 相对其自身直径较小的杂质时，其对于杂质的粘 附作用（表面张力)远大于固体表面对该杂质的 粘附作用，于是可以将杂质吸附于液体表面并逐 渐将其包裹在液滴内部，使之随液滴的运动一起 图5自清洁效应示意图 运动，从而实现了杂质的清除，即自清洁效应

自清洁效应 自清洁效应实际上是超疏水表面的动态润湿 行为，当水滴在超疏水表面运动时，其一定处于 Cassie态（水滴与固体表面接触的表面积中有很 大一部分与空气直接接触，因而当水滴发生运动 时，摩擦阻力相对较小）。此外，水滴的表面张 力使得其形状接近于球体，因此水滴在超疏水表 面上的运动类似于球体的滚动。当水滴遇到尺寸 相对其自身直径较小的杂质时，其对于杂质的粘 附作用（表面张力）远大于固体表面对该杂质的 粘附作用，于是可以将杂质吸附于液体表面并逐 渐将其包裹在液滴内部，使之随液滴的运动一起 运动，从而实现了杂质的清除，即自清洁效应

研究过程 ·测量超疏水表面接触角 ·定性研究自清洁效应

• 测量超疏水表面接触角 • 定性研究自清洁效应 研究过程 3

测量超疏水表面接触角 工具： LED光源的作用是产生强光将水滴的周围照亮，大 超疏水涂料 幅提高数字图像中水滴本身与周围环境的对比度。 正方形三合板 水滴是通过量程为0.5~10μL的移液枪滴下。 Canon IXUS-75相机 进行实验的时候要先将成像CCD、透镜组、液滴以 透镜组（放大率约10倍） 及LED光源均调至水平共线，从而保证成像的清 LED光源 晰以及调节的方便 LED光源 液滴 透镜组 超疏水表面 成像CCD 图7超疏水表面的SEM成像图 图6接触角测量装置示意图

测量超疏水表面接触角 工具： 超疏水涂料 正方形三合板 Canon IXUS-75 相机 透镜组（放大率约10倍） LED光源 LED光源的作用是产生强光将水滴的周围照亮，大 幅提高数字图像中水滴本身与周围环境的对比度。 水滴是通过量程为0.5~10 μL的移液枪滴下。 进行实验的时候要先将成像CCD、透镜组、液滴以 及LED 光源均调至水平共线，从而保证成像的清 晰以及调节的方便

测量超疏水表面接触角 RGB图象 初值 号 在MATLAB:环境下，利用图形工具箱(IPT) 灰度图像 B-维寻优 对数字图像进行处理 R初值 结合Runge Kutta算法和Newton-Raphson 边缘检测 Newton Runge- 求 Raphson Kutta 迭代法，通过拟台Young-Laplace?方程实现 拟合计算 R最优解 了对接触角较高精度的测量 求解接触角 BR最优解 a (b) 图0求解接触角实验流程

测量超疏水表面接触角 在MATLAB环境下，利用图形工具箱（IPT） 对数字图像进行处理 结合Runge Kutta算法和Newton-Raphson 迭代法，通过拟台Young-Laplace方程实现 了对接触角较高精度的测量

定性研究自清洁效应 工具： 超疏水平板 移液器 铁架台 移液枪（量程100~1000μL) Canon IXUS-75相机 大小不同沙粒10种（粒度0.2~2mm) 成像CCD 液滴 将超疏水平板斜搁置在铁架台上，这样既 超蔬水表面 可以较为容易地调整和测量平板倾斜的 角度，亦可以保证实验装置的稳定。 实验所用水滴采用移液枪器滴下。 铁架台 使用目数为10~80的筛子筛出十种不同 大小的沙粒作为杂质进行实验。 图9自清洁效应研究装置示意图

定性研究自清洁效应 工具： 超疏水平板 铁架台 移液枪（量程100~1000μL） Canon IXUS-75 相机 大小不同沙粒10种（粒度0.2~2mm） 将超疏水平板斜搁置在铁架台上,这样既 可以较为容易地调整和测量平板倾斜的 角度，亦可以保证实验装置的稳定。 实验所用水滴采用移液枪器滴下。 使用目数为10~80的筛子筛出十种不同 大小的沙粒作为杂质进行实验