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图形摘要
超疏水表面因特殊的润湿性能，在自清洁、油水分离、防结冰等领域发挥重要作用。但在使用过程中受到外部载荷，超疏水表面容易损坏，影响使用性能。具有材料之王誉称的碳纤维复合材料具有多项优异性能，被应用于各个行业领域。 但碳纤维/环氧树脂复合材料为亲水性表面，在极端环境中工作时，这一特性将会带来诸多的危害。聚四氟乙烯除了优异的疏水性能外，在化学稳定性以及自润滑性方面也具有出色的表现，被称为塑料之王。如果能将材料之王和塑料王进行有机结合，得到的材料可能将原有属性叠加。甘肃农业大学张锋伟教授及中国民用航空飞行学院何强教授以碳纤维预浸料为基底，聚四氟乙烯纳米粒子作为疏水物质，以金属筛网为模板。结合热压工艺将聚四氟乙烯纳米粒子堆积压制在预浸料表面，形成具有多级微纳结构的碳纤维/环氧树脂复合材料超疏水表面。制备的表面表现出优异的疏水性和机械稳定性，特别在金属筛网的压制和环氧树脂的粘合作用下，聚四氟乙烯纳米粒子堆积成筛网的镜像结构，这种微纳组合结构能有效提高表面的耐磨性能，即使微结构破损，填充在环氧树脂内部的粒子也会裸露出来形成新的分级结构，使表面能长久保持疏水性能，直到整个微结构被全部磨平。这种方法简单，制备的超疏水表面性能稳定，扩大了超疏水表面的应用场景与范围。
图1.制备流程图
图2（a-b）原始试样表面表面不同放大倍数SEM，（c）聚四氟乙烯纳米粒子电镜图，（d-e）金属筛网表面不同放大倍数电镜图，（f）金属筛网截面电镜图，（g-i）超疏水表面不同放大倍数电镜图。
图3 （a）原始试样表面水滴形态，（b）原始试样表面形貌轮廓与润湿性（c）原始试样表面水滴润湿模型，（d）超疏水试样表面水滴形态，（e）超疏水试样表面形貌轮廓与润湿性,（f）超疏水试样表面润湿模型。
图4.（a）超疏水表面水滴在降温过程中的接触角，（b）降温过程中接触模型，（c）超疏水表面水滴在升温过程中的接触角，（d）升温过程中接触模型。
图5.（a）水滴在原始试样表面的运动过程，（b）水滴在超疏水试样表面的运动过程。
图6.（a-d）原始试样与超疏水试样防污性能测试，（e-f）原始试验与超疏水试样自清洁性能测试。
图7（a）摩擦前超疏水表面结构模型，（b）摩擦前试样表面形貌。（c）摩擦前试样表面形貌放大图与表面接触角，（d）5次摩擦后表面模型，（e）5次摩擦循环后试样表面形貌，（f）5次摩擦循环后试样表面形貌放大图与接触角，（g）10次摩擦后表面模型，（h）10次摩擦循环后试样表面形貌，（i）10次摩擦循环后试样表面形貌放大图与接触角，（j）15次摩擦循环后表面模型，（k）15次摩擦循环后试样表面形貌，（l）15次摩擦循环后试样表面形貌放大图与接触角，（m）20次摩擦后表面模型，（n）20次摩擦循环后试样表面形貌，（o）20次摩擦循环后试样表面形貌放大图与接触角。
在本研究中，以聚四氟乙烯纳米粒子作为低表面物质，金属筛网作为模板，通过热压成型工艺制备了超疏水碳纤维/环氧树脂复合材料表面。该表面的接触角为169°，滚动角为2°，在外部介质的作用下，沉积在表面的水滴能轻松与表面分离，使表面能保持干燥清洁。当水滴撞击超疏水表面时，由于固液界面的粘附力较小，水滴在变形过程中产生的弹性势能促使其发生多次反弹。在低温下，该表面能将表面液滴的结冰时间延长5倍，这是因为较小的接触面积可以有效的降低热量传导，延长冰核形成时间，同时级微纳结构中滞留的大量空气充当隔热层，在成核后能进一步抑制冰晶的生长。该表面还表现出优异的耐久性能，该现象源于聚四氟乙烯自身的耐磨性，能有效提升了表面的抗磨性，同时环氧树脂中混合了大量的粒子，经过多次存循环摩擦后，微结构表层粒子脱落，内部的疏水粒子会裸露出来形成新的粗糙结构，使表面仍保持超疏水性能，直到基底被破坏。
相应的成果以“Preparation of superhydrophobic carbon fiber composite surface with excellent dsurability”为题发表在POLYMER COMPOSITES上，文章的第一作者为中国民用航空飞行学院与甘肃农业大学联合培养博士生许渊，通讯作者为张锋伟教授。
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投稿邮箱：aystar@cafuc.edu.cn
中国民用航空飞行学院何强教授团队依托高高原航空安全验证实验室与四川省全电通航飞行器关键技术工程研究中心等省重平台，主要研究方向为表面防除冰，航空橡胶密封等。欢迎相关文献投稿，交流合作。
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