超疏水微柱陣列具有防凍雨抗結冰、耐腐蝕、抗粘附、減阻等特性，在航空、航海、民用設施、生物醫學研究等場合具有重要的應用前景。但目前超疏水微柱陣列多局限于硅片及高分子聚合物等實驗性基材，而在常用的工程金屬材料基體上的加工技術研究還有待深入。工程金屬材料應用廣泛，在金屬表面上構建超疏水微柱陣列更具重要意義，論文提出采用掩膜電解加工技術在鋁金屬基體上加工超疏水微柱陣列，并通過仿真和試驗研究得出了加工電流密度、加工時間、掩膜尺寸等工藝參數對微柱陣列尺寸和水潤濕性的影響規律。

引用本文

Sun J., Cheng W., Song JL. et al. Fabrication of Superhydrophobic Micro Post Array on Aluminum Substrates Using Mask Electrochemical Machining[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2018, 31: 72. https://doi.org/10.1186/s10033-018-0270-1

試驗方法

（1）采用ANSYS建立了掩膜電解加工過程的仿真模型，分析了加工過程中微柱陣列尺寸變化與場強分布的相互影響規律，通過對工件-電解液接觸線上各節點坐標進行迭代，揭示了掩膜電解加工過程中基體結構隨加工電流密度、加工時間的變化規律。

（2）根據仿真結果，對微柱陣列高度和柱頂直徑隨加工參數的變化進行擬合，得出通過調整掩膜尺寸、加工電流密度和加工時間來控制微柱陣列尺寸的方法。

（3）通過鋁基體上超疏水微柱陣列的加工試驗，將不同加工參數下得到的微柱陣列尺寸與仿真結果進行對比，驗證了仿真結果的準確性。

試驗結果

（1）通過掩膜電解加工過程對微柱陣列尺寸影響的有限元仿真，發現直流電源加工時存在側壁腐蝕，掩膜電解加工最終將得到具有一定錐度的微柱陣列，并據此確定了微柱陣列柱頂直徑d和柱高度h為衡量陣列結構尺寸的基本參數，結合對電解液電流效率特性的研究，擬合出了加工電流密度在3~7 A/cm2范圍內時，微柱陣列直徑d和高度h與電解加工電流密度I和加工時間t的代數關系，為微柱陣列尺寸的調控提供了依據。

（2）采用BP212-37S紫外正性光刻膠、菲林膠片掩膜板和質量分數為15%的NaNO₃電解液進行掩膜電解加工試驗，證明了仿真結果與實際形貌只在場強分布較弱的柱結構側壁略有差異，仿真對關鍵尺寸參數d與h的預測結果較為準確。

（3）采用氟硅烷乙醇溶液對獲得的微柱陣列進行低表面能修飾，獲得了接觸角超過150°的超疏水表面。

（4）根據Cassie-Baxter理論模型，發現掩膜電解加工構建的超疏水微柱陣列的接觸角與Cassie-Baxter理論接觸角基本一致，并依靠這一關系，通過改變掩膜尺寸和電解加工參數可得到結構尺寸與接觸角皆可控的超疏水微柱陣列。

圖1 掩膜電解加工技術在鋁金屬基體上加工超疏水微柱陣列的有限元仿真過程

圖2 掩膜電解加工技術構建的鋁基體超疏水微柱陣列

結論

本文針對現有方法難以在金屬基體上構建超疏水微柱陣列，提出采用掩膜電解加工技術加工鋁基體超疏水微柱陣列，并通過仿真分析與實驗研究得出了電解加工參數對微柱陣列尺寸及潤濕性的影響規律，建立了微柱陣列尺寸及潤濕性的調控方法。

前景與應用

超疏水微柱陣列的應用前景較大，如用于航空發動機進氣道、固定翼飛機機翼和直升機旋翼槳葉上，可減少因結冰結霜造成的飛行阻力增大或空中停車等惡性事故；用于艦船和魚雷表面，可減小與水的摩擦阻力，抑制海洋生物附著，提高航行速度，節省能源；用于鋼結構跨海橋梁、海上鉆井平臺及其他海洋工程裝備或設施上，可減少基體與腐蝕性液體的接觸面積，抑制海洋大氣腐蝕和海水腐蝕，提高裝備和設施壽命；用于高山地區冬季輸配電線路上，可減少因覆冰而導致的高壓輸電線路和輸電塔破壞事故；用于微型水面機器人上，可提高設備承載力，增加機器人的水面穩定性和壽命；用于操作昂貴藥物液體儀器上，可減小液體和固體表面的粘附損失，實現液體無損轉移，節約成本。

主創介紹

宋金龍，男，大連理工大學副研究員，博士生導師，德國洪堡學者，中國科協青年人才托舉工程入選者，研究方向為非傳統加工工藝與裝備，主持國家自然科學基金青年基金、中國科協青年人才托舉工程、航空科學基金等項目。以通訊作者或第一作者身份在ACS Nano (IF13.7)、Journal of Materials Chemistry A (IF9.93)、ACS Applied Materials & Interfaces (IF8.0)、Nanoscale (IF7.2)、Chemical Engineering Journal (IF6.7)、Lab on a Chip (IF5.99)等期刊上發表SCI論文40篇（中科院一區Top論文12篇，封面論文4篇，ESI前3%高被引論文1篇）；以第三作者身份在Science上發表論文1篇。擔任Advanced Functional Materials (IF13.3)、ACS Applied Materials & Interfaces (IF8.0)等23個國際SCI期刊的審稿人。