基于润湿过渡的玻璃表面亲水微结构的理论设计与制造

目的为实现一种仿生蜂窝状的微结构的理论设计与制造,达到对接触角的理论预测,并进行试验的测量验证。方法通过建立蜂窝状微结构的理论模型,基于润湿的Cassie-Baxter态到Wenzel态的转化理论,采用数值仿真程序对该结构接触角进行预测。采用纳秒脉冲光纤激光器在玻璃表面加工出蜂窝状结构。结果通过首次建立蜂窝微结构理论模型可得到接触角的表达式,在满足物理约束(重力、拉普拉斯压力、内外压差)的条件下可得到最优的边界条件。利用数值仿真程序,得到的接触角预测值和纳秒激光技术加工后的测量值吻合良好,误差均小于5°。同时,表面接触角随着蜂窝状结构尺寸的减小而减小,在蜂窝状结构边长约为10μm时达到超亲水状态。结论基于润湿过渡理论建立的蜂窝状微结构理论模型是可行的,可以准确预测微结构的表面亲水性(表观接触角)。通过纳秒激光的吸光材料辅助烧蚀技术,可以在玻璃表面准确地加工出微米级的蜂窝结构。利用生物学仿生技术设计的蜂窝微结构,能够起到减小表观接触角的效果,从而有效地改善玻璃表面的亲水性。