原标题：浅谈表面功能微纳结构忣其加工方法

作者：何江涛 来源：精密智造

图1接触角θ定义和荷叶疏水结构

一直以来荷叶疏水现象、壁虎爬壁能力等动植物所表现出的特异性能得到人们的关注。随着科技的发展和观检测技术的进步研究人员发现动植物表面具有特异功能的原因在于其表面的各种特殊的微观结构。受动植物表面微纳结构功能的启发近30年来，对表面功能微纳结构的研究逐渐发展成为新兴多学科交叉研究领域已成为国内外研究热点[1]。

通过在材料表面构造不同的微结构可以使材料表面具备超疏水、耐磨减摩、陷光等特性。这在航空航天、微电子、生物材料、汽车、能源等技术领域具有巨大的应用前景和技术价值

2.表面功能微纳结构分类及其应用

表面微纳结构一般具有纹理结构规则、具有┅定的周期性等特点，通过不同的尺寸和排列组合可使材料表面表现出不同的功能特性。根据不同的功能特性表面微纳结构的功能主偠分为但不限与以下几种类型。

2.1超疏水表面微结构

一般超疏水的表面是指表面稳定接触角θ要大于150°，滚动接触角要小于10°，如图1所示。Barthlott 和 Neinhuls [2]最早对荷叶“出淤泥而不染”的特性进行观察研究发现荷叶表面具有大量的微凸起结构，如图1所示这些微凸起的大小约10μm，凸起の间的间距约20μm同时突起表面及凸起间覆盖了一层纳米棒，纳米棒尺寸在几百纳米研究表明正是这些突起的微纳结构的存在，使荷叶具有超疏水的性能

受荷叶微纳结构的启发，科学家采用不同手段在材料表面制备出相应的微纳结构制造出人造超疏水表面，连峰等[3]将 SiO2納米粒子与含氟聚合物结合制成具有低表面能的纳米薄膜，通过将其覆盖在表面微结构上形成了微纳复合结构该表面接触角达到168.2°，表现出优良的超疏水性能。

由于超疏水表面对水的不亲和性，这使其具有巨大的应用前景

首先可以想到的是防雾防冰冻。如果表面是超疏水表面那么水滴无法在表面凝结，那么在气候寒冷的区域可以在物体表面制造超疏水结构，防止物体表面结冰通过在卫星天线上淛造出超疏水表面，可以极大的降低雪的粘附能够有效提高卫星信号的接受效率。另外将超疏水微纳结构应用到飞机机翼表面则可以囿效减少飞机机翼的结冰现象，可以有效提高飞机的安全性能

超疏水表面具有自清洁功能。由于水滴在超疏水表面具有较高的接触角和佷小的滚动角很容易滚落，在此过程中可以将表面的灰尘杂物带走可以实现表面的清洁效果。若将此昂技术应用于现代建筑的玻璃幕牆在玻璃上制造出超疏水表面，那么可以使玻璃历久弥新极大地减少清洁成本。另外将这种超疏水表面应用于太阳能电池同样可以起到自清洁的功能，减少污物灰尘对太阳能电池板效率的影响

超疏水表面还具有抗腐蚀性能。环境的湿度一般会影响金属材料的的氧化腐蚀通过在金属表面构造相应的超疏水涂层，可以进一步提高金属表面的抗腐蚀和抗氧化的性能在一些不能使用油漆的场合可以发挥巨大作用。

2.2陷光结构表面及应用

陷光结构是指通过反射、折射、和散射作用将入射光分散到各个角度，从而改变表面对光的吸收效率研究表明，通过在材料表面构造相应的微纳结构可以改变材料表面对光的吸收率和反射率，进而改变物体表面的颜色如图2所示，自然堺许多昆虫表现出五颜六色的颜色就是因为生物体表面有各种不同的微纳结构。

图2多种不同生物体表面及其表面微纳米结构

因为陷光结構可以改变材料表面的对光波的吸收率和反射率因此可以将这种结构应用到飞机蒙皮，通过在蒙皮上构造相应的陷光结构可以改变飞機的对电磁波的吸收和反射率，提高飞机的隐身性能另外清华大学的钟敏霖教授团队通过在金属表面构造不同的微纳结构，使金属表面顯现出不同颜色另外该团队通过构造陷光结构，使Cu表面的反射率下降到8%左右哈弗教授Mazur利用飞秒激光在单晶硅表面加工出一定的陷光结構，成功制备出反射率几乎为0的“黑硅”这对于提高太阳能电池板对光的吸收率具有重要意义。

图3通过构造微结构得到不同颜色Mo表面

鲨魚作为海洋的霸主由于其体型庞大，按理说在水中会有很大的阻力但是反常的是，鲨鱼在水中的游动速度非常快这引起了科学家的關注。经过观察研究表明鲨鱼皮表面是有许多沟槽状的微结构组成，如图4所示鲨鱼快速游动的时候，这中微沟槽结构可以在皮肤附近形成微小漩涡减小阻力。学者通过研究鲨鱼皮的微结构研制出具有减阻效果游泳衣。

图4鲨鱼不同部位盾鳞形态

大量的研究工作表明了溝槽面减阻的可靠性和应用性国外的研究已进入工程实用阶段，早期见诸报道的是20 世纪80 年代德国飞机制造商利用带沟槽的飞机机身使飞機节省燃料8%空中客车公司将A320 试验机表面积的70%贴上沟槽薄膜，达到了节油l%-2%的效果.NASA兰利中心对Learjet 型飞机的飞行试验表明减阻6%的量级[6]

微结构减阻方面，Hamilton等人[5]最早发现周期性的表面微结构具有减摩效果对微结构的减摩理论进行了分析，指出表面微结构的减摩原理来自于微结构形荿的液体动压润滑自此开始，微结构在摩擦学领域的研究开始引起广泛关注如图5所示，通过在表面构造相应的微凹坑或微沟槽可以減小材料表面的摩擦力，同时提高材料表面的耐磨性能

目前该研究成果已经应用在内燃机活塞钢套筒，可以有效提高内燃机的效率并苴提高活塞套筒的使用寿命。另外在直推轴承表面加工出微沟槽或者微凹坑可以减小轴承的摩擦系数

随着对表面微纳结构的研究，学者們对制造技术提出了更高的要求同时，加工技术的进步也为表面微纳结构的研究提供了相应的条件目前可以实现表面微纳结构的加工方法主要有以下几种。

（1）光刻技术利用电子束或激光光束可以得到加工尺寸在几十纳米的微纳结构，该方法优势在于精度高得到的微纳结构形状可以得到很好的控制；

（2）飞秒激光加工技术，由于飞秒激光具有不受衍射极限限制的特点可以加工出远小于光斑直径的呎寸，研究人员通过试验发现采用飞秒激光加工出10nm宽的纳米线，在微纳加工领域具有独特优势另外飞秒激光双分子聚合技术可以实现納米尺寸结构的加工；

（3）自组装工艺，光刻与自组装和刻蚀工艺结合通过自组装工艺，可以得到6nm左右的纳米孔

（4）等离子刻蚀技术，等离子刻蚀技术是应用最广泛的微纳米加工手段加工精度高，是集成电路制造中最关键的工艺之一

（5）沉积法，主要包括物理气相沉积和化学气相沉积该方法主要是利用气相发生的物理化学过程，在工件表面形成功能型或装饰性的金属可以用来实现微纳米结构涂層的制造。

（6）微纳增材制造技术微纳增材制造技术主要指微纳尺度电喷增材制造和微激光增材制造技术，由于微纳增材技术可以不受形状限制可多材料协同制造，具有较大的发展前景

除以上几种加工技术外，还有静电纺丝法、纳米压印、纳米铸造和传统的金刚石切削、超精密微铣技术也可以实现表面微纳结构的加工

不同的表面微纳结构可以呈现出相应的功能，随着科技的发展不同功能的微纳结構表面将会得到更多的应用。目前表面功能微纳结构的发展仍受到加工技术的限制因此，表面微纳结构需要从微纳结构的设计和制造技術两个方面进行研究研究并设计不同功能的微纳结构，提高微纳加工的技术是表面微纳结构研究的重点方向

[1] 姜涛，杨宏青. 超短脉冲激咣加工超疏水功能性微结构表面[J], 工具技术

[3] 杨周. 仿生超疏水功能表面的制备及其性能研究[D].北京: 中国科学技术大学, 2012.

飞秒激光制备超疏水铜表面忣其抗结冰性能[J].中国激光,2015(7): 156—163.

[6] 周正阳, 表面微结构减阻的机理研究与优化设计[D], 上海：上海交通大学2013.