1-李森墉-创新超疏水微结构的物性与加工方法的研究

1、NCKU機 械 工 程 學 系第十五屆海峽兩岸機械工程技術交流會第十五屆海峽兩岸機械工程技術交流會創新超疏水微結構的物性與加工方法的研究.tw銀川NCKU機 械 工 程 學 系蓮花：出淤泥而不染，濯清漣而不妖語出宋朝周敦頤愛蓮說- 蓮花具自潔能力蓮花效應(Lotus Effect) 一詞是在1997年由德國植物學家Barthlott與Neinhuis研究蓮葉表面現象時所創造出的詞語。 (一一) 簡介簡介蓮花效應蓮花效應(Lotus Effect)-1/2-4-NCKU機 械 工 程 學 系蓮花效應蓮花效應(Lotus Effect)-2/21.水珠在蓮葉表面

2、上形成如球狀的高接觸角(Contact Angle) 2.表面稍微傾斜，可讓水珠滾動並帶走表面髒污 -5-NCKU機 械 工 程 學 系(二二)蓮花結構蓮花結構(super-hydrophobic structures)1. 表面具有5-15 mm大小的突柱狀(Pillar), 約60nm毫 毛之表皮細胞 (Epidermal Cell) 2. 表面上覆蓋一層約100 nm的蠟質結晶(Wax Crystal) -6-NCKU機 械 工 程 學 系具類蓮花結構之其他生物具類蓮花結構之其他生物約200種植物之樹葉: dahlia, rose, tulips, iris, asphodels, dr

3、osera, eucalyptus and gingko biloba. 動物: water strider legs, butterfly wings, duck feathers, cicadas. -7-NCKU機 械 工 程 學 系(三三)蓮花效應的特色蓮花效應的特色1. 防水2. 具自潔能力3. 固體與液體間為滑動邊界-8-NCKU機 械 工 程 學 系(四四) 蓮花效應之產業應用蓮花效應之產業應用1. 太陽能熱水器、太陽能發電面板(-自潔)2. 高樓大廈之表面/玻璃惟幕(-自潔)3. 古蹟維護、家庭衛浴設備(-防水/自潔)4. 高山防結冰結構: 纜車、輸配電塔、建築(-防水)5.

4、機翼防結冰結構-飛航安全(-防水)6.醫院/大廈之通風管路(-自潔)7.低(水、空氣)阻力結構: 泳衣、防水衣、提高機翼 昇力、降低飛機失速(-滑動邊界)8.葉克膜 (ECMO)/洗腎機(-滑動邊界)9. 集水膜 -9-NCKU機 械 工 程 學 系(五五) 發展現發展現 況況(產業界與學術界產業界與學術界)-1/2目前研究方法目前研究方法基於仿生(biomimicry)的概念化學方式: 改變表面性質 析出、塗佈奈米顆粒物理方式: 改變表面粗糙度 微機電製程: 蝕刻(Etching)、 微影技術(Lithography) 、轉印-10-NCKU機 械 工 程 學 系發展現發展現 況況(產業界與

5、學術界產業界與學術界)-2/2仿生研究方法的錯失(1)無法量產：(量產微結構主要方法是微轉印) a. 無法量產納米毫毛 b. 轉印微米凸狀結構時不易(air) c. 在轉印製造過程 結構易產生破壞。 (2) 結構強度弱，施工性不足(3) 工程上使用條件與 大自然者不同-11-NCKU機 械 工 程 學 系(六六) 研究方向與突破研究方向與突破-(1/4)創新的反自然蓮花結構-12-NCKU機 械 工 程 學 系接觸角接觸角 (Contact Angle)液體和固體接觸的地方形成一個角度，靜態接觸角定義為液滴在固體表面上濕潤所呈現的角度，並可表示液滴於該表面的濕潤狀態。水的表面張力為72 mN/

6、m，其值代表為LV液氣間界面之表面張力。cosSVSLYLV()cosSLSVLVYdEdxdxNCKU機 械 工 程 學 系前進角與後退角(Advancing and receding contact angle)：滑動角sin(coscos)LVRAmgwNCKU機 械 工 程 學 系模具製造模具製造方法方法1. 飛秒雷射加工2. 機械加工(V-cut)3. 微機電製程NCKU機 械 工 程 學 系樣本製造樣本製造 實驗樣本製作成型：NCKU機 械 工 程 學 系水滴撞擊材料表面之動態量測實驗水滴撞擊材料表面之動態量測實驗 水滴約5 L大小，使水滴自由落下至表面，此時立刻開啟拍攝儀器，即可

7、觀測水滴撞擊表面瞬間的變化。NCKU機 械 工 程 學 系研究方向與突破研究方向與突破-(2/4) 實驗結果(1/4)尺寸符號(deg)前進角ACA(deg)後退角RCA(deg)遲滯值Lotus大於140143.900.96138.591.905.312.86Lotus_crackedx137.412.5124.86112.552.51PDMS116.6 116.56 1.0280.96 1.7235.56 2.74165.4 164.71 2.17155.32 1.409.39 3.57169.33 168.50 0.47163.13 0.685.37 1.1515355105P D156

8、05105P D-13-NCKU機 械 工 程 學 系研究方向與突破研究方向與突破-(3/4) 實驗結果(2/4)水滴反彈情形0 ms9.8 ms57.4 ms69.6 ms-14-NCKU機 械 工 程 學 系研究方向與突破研究方向與突破-(4/4) 實驗結果(3/4)3.8 ms5.8 ms6.8 ms10.2 ms14.6 ms水滴撞擊傾斜之試片材料表面水滴撞擊傾斜之試片材料表面水滴於具微結構表面傾斜30於14cm高處落下之反彈情形NCKU機 械 工 程 學 系太陽光模擬I -V量測系統1. 採用（2 cm * 2 cm）之0.5 V單晶太陽能模組（達逸光電有限公司），如圖所示 (樣品厚度：2mm)-15-NCKU機 械 工 程 學 系太陽光模擬I -V量測實驗結果(4/4)(各實驗試片之最大輸出功率 - Pmax）NCKU機 械 工 程 學 系結論結論1. 一創新微米結構具奈微米結構