自修复仿生超滑表面的设计与润滑性能研究

In nature, the pitcher plant is a representative slippery surface in which the lubricant liquids can be locked into the spaces within the texture and forms a continuous overlying film, thus greatly reducing the surface slip resistance. However, there are still some important challenges which limit their applications, for example, how to avoid the performance deterioration caused by the evaporation of lubricating oil; how the micro-nano structures and physical or chemical properties influence the lubrication and adhesion of the slippery surface. In this project, we are aiming to develop a permanent slippery surface with self-repairing abilities. We will fabricate micro-nano structures on the engineering metal and polymer surface by laser etching, chemical etching and anodic oxidation methods, and infuse lubricants into the micro-nano structures to investigate the wettability and adhesion behavior of different lubricants on different micro-nano textures. We will also investigate the slip resistance of liquids with different surface tension on slip surface, and explore the lubricating properties of slip surfaces with different lubrication fluid infusion and the inherent law of lubricating failure. Finally, we will get the design guideline for the preparation of a slippery surface, which has important theoretical significance and application value.

以猪笼草为代表的超滑表面利用微纳米结构的毛细作用，将润滑液锁定在微纳米结构孔隙中形成一层动态油膜，从而大幅降低了表面对液体或固体的滑动阻力。然而，超滑表面因润滑液挥发带来的性能退化，微纳米结构以及润滑液的物理、化学性质如何影响表面的润滑与黏附性能仍不清楚，这些问题制约了超滑表面的进一步应用。本项目将发展长效自修复超滑表面，拟利用激光微加工、化学刻蚀以及阳极氧化的方法在金属工程材料以及聚合物表面构筑出微纳米结构，将润滑液灌注在表面修饰的微纳米结构中制得超滑表面。研究不同性质的润滑液在不同微纳米结构表面的润湿与黏附行为；探索超滑表面对不同液体的粘滞阻力；揭示不同润滑液灌注超滑表面的润滑性能以及润滑失效的内在规律，最终获得低黏附长效超滑表面的通用设计准则，研究成果将为长效自修复超滑表面的设计制备与应用提供一定的科学借鉴和实际指导。

本项目利用激光微加工技术在合金表面构筑出高强度微纳米结构，并进行表面修饰形成高强度织构化超疏水表面，同时将不同润滑液真空灌注于织构化微纳结构中，超疏水表面空气膜对外界液体的排斥转变为润滑液对液体的排斥，具有更强的压力稳定性。考察了不同表面对外界液体的润湿与黏附行为。研究结果表明，所得表面具有优异的低黏附、自清洁与润滑性能。润滑液灌注的织构化仿生超润滑表面可以有效存储润滑液，并通过毛细作用将润滑液锁定在微纳孔隙中，润滑液的毛细流动性使得表面具有良好的自修复润滑能力，在摩擦条件下始终能保持表面光滑稳定的润滑液层，同时，织构化的微纳米空隙可以存储堆积的磨屑，具有更优异的防污与润滑特性。 .受到微织构自润滑及贻贝粘蛋白的启发，通过溶胶凝胶化学气相沉积技术在不同基底上构筑出微纳米织构表面，采用聚多巴胺进行接枝封装，同时在聚多巴胺封装的表面进一步沉积二硫化钼固体润滑涂层，利用固体润滑剂来代替液体润滑剂。研究发现，聚多巴胺表面丰富的基团可在织构化表面与二硫化钼固体润滑涂层之间形成牢固的机械锁链，实现了涂层材料的高承载和低润滑性能。以上研究成果将为长效自修复超润滑表面的设计制备提供基础研究积累以及相关领域产品开发的技术储备。.本项目共发表SCI收录学术论文15篇，获得授权国家发明专利4件，培养硕士研究生8名。