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浸润性与机械稳定性拆分强化构筑超疏水表面

超疏水,铠甲,机械稳定性

超疏水材料由于其独特的固-液界面性质，在自清洁、流体减阻及强化传热传质等领域展现出了广泛的潜在应用。通常，表面实现超疏水性需要借助低表面能和微/纳结构截留空气托起液滴，实现Cassie-Baxter态的同时创造低的固-液接触。然而，微/纳结构在机械载荷下会产生极高的局部压强，使其易碎易磨损。因此，表面的机械稳定性和超疏水性是两个相互排斥的特性，如何保证良好超疏水性的同时，又能实现较强的机械稳定性，是当前超疏水材料面对实际应用亟待解决的关键难题。

我们通过去耦合机制将表面的超疏水性和机械稳定性拆分至两种不同的结构尺度，并提出微结构“铠甲”保护超疏水纳米材料免遭摩擦磨损的概念。结合浸润性理论和机械力学原理设计出“铠甲”微结构，利用光刻、冷/热压等加工技术将其制备于硅片、陶瓷、金属、玻璃等普适性基材，与纳米材料复合构建出具有优良机械稳定性的铠甲化超疏水表面。通过合理调节铠甲微结构的固-液接触分数，可避免因磨损使表面疏水层破坏从而引起的超疏水性失效。

铠甲化超疏水表面可集成优良机械稳定性、耐化学腐蚀（王水或2.5 M NaOH浸没4 h）和热降解（100 ℃ 16 D）、抗高速射流冲击（射流速度32.6 m s^-1）和抗冷凝失效（100 °C蒸汽冷凝12 h）等多项耐候性性能。同时，玻璃铠甲化表面还能保持高透光率，我们将该高透光率表面应用于太阳能电池盖板，可实现依靠冷凝液滴清除尘埃颗粒的自清洁方式，为少雨地区提供自清洁太阳能电池的解决方案。该自清洁表面可使太阳能电池长期维持高效的能量转换，还将节省该行业在清洁过程中花费的淡水资源和劳动力成本。