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北大发现新一代无机超疏水材料有望用于航空航天、海洋装备等领域

文章来源：北京大学新闻网更新时间：2020-03-11 15:07:11

超疏水材料是疏水角超过150°的疏水材料，因此具有独特的润湿性能，可以大幅降低水滴的粘附性能，在自清洁、防结冰以及水中减阻等领域具有重要的应用价值。然而，超疏水性能的实现大多需要微纳结构及低表面能有机材料的修饰，因此其力学、耐高温、抗老化等方面的性能较差。相比于有机材料，无机材料具有更好的力学性能和耐久性，因此开发无机超疏水材料具有重要的研究意义与应用价值。

最近，北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋和吴忠振团队成功制备出一种含有负表面能θ-Al2O3纳米材料修饰的多相氧化铝与纳米/微米空隙结构组合形成新型无机超疏水涂层复合材料，进而提出由“正+负+零”表面能组合材料形成新一代的纯无机超疏水材料结构。

新一代无机超疏水表面制备示意图

2004年，Norskov通过理论计算提出θ-Al2O3相在固/水界面具有负表面能（“A negative surface energy for alumina” ，Nature Materials，vol. 3，no. 5，pp. 289–293）。新材料学院研究团队基于自主研发的电弧等离子体和水基电解液的超临界电化学技术，通过调控高温快冷与酸碱性变化等多步连续电化学反应，在铝合金表面实现了多相氧化铝微纳结构涂层的制备，并通过微刻蚀使得基于负表面能的θ-Al2O3纳米相嵌在低表面能的微结构表面，从而实现整体的超疏水性能。研究团队对其进行了耐高温、抗老化、耐磨及耐腐蚀等方面的测试，测试结果表明该涂层在明火烤烧、300 °C高温加热等处理后均能保持150°以上的超疏水性能；在日光下暴晒360天后，疏水角未发生明显下降；在10 N载荷下与无纺布对磨2000次仍可以维持130°以上的疏水角；由于水滴在其表面不润湿，其耐腐蚀性能突出，尤其是腐蚀电流达到10-10 A/cm2数量级。

G1-低表面能的第1代、G2-低表面能与零表面能空气微/纳孔结构的第2代及G3-低表面能中嵌负表面能与零表面能空气微/纳孔结构的第3代的超疏水材料结构示意图

这项工作首次实现了低表面能材料中嵌负表面能（θ-Al2O3）与零表面能空气微/纳孔结构一起组成新一代超疏水材料结构，并实现了其一步法连续制备。其优异的力学、耐高温、抗老化及耐磨损等性能，将满足工程领域复杂苛刻的应用需求，在航空航天、海洋装备等领域展现出广阔的应用前景。相关工作由黄维院士邀请，以“Tuning superhydrophobic materials with negative-surface-energy domains”为题发表在Research【Science Partner Journal (SPJ) program】期刊(Research, 2019, 1391804, DOI: 10.34133/2019/1391804)。

该工作得到国家材料基因工程重点研发计划、广东省重点实验室和深圳市科技创新委员会等项目的大力支持。

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