超疏水材料具有良好的工业发展前景，但因其机械稳定性较差，极大限制了超疏水材料的实际应用。长期以来，人们认为超疏水材料表面的机械稳定性和超疏水性是相互排斥的两个特性，二者极难同时兼顾。因此，如何保证在拥有良好超疏水性能的同时，又能实现较强的机械稳定性，是当前超疏水材料走向实际应用的关键。因此，构建一种在复杂环境下保持超持久的超疏水材料仍然具有挑战性。

基于此，西南科大王山林研究团队设计并制造了一种超耐用的全寿命超疏水复合块材，通过将近零收缩的超疏水二氧化硅气凝胶嵌入到类十二面体结构的刚性铁镍泡沫中。填充材料和骨架材料之间的协同保护作用确保了复合块材的超强机械稳定性，如，高达~7.4 MPa的高抗压强度和经过5万次循环后低至~0.567 mm的超低Taber磨损。此外，该复合块材独特的类沙漠甲虫结构使其在40K过冷度下实现高达~3,114.3 mg min^-1 cm^-2的高效集水能力。这种坚固的材料系统为设计能够承受极端条件（包括高温、潮湿、压力和磨损）的超疏水材料提供了一种新的策略。该成果以题为“Superdurable full-life superhydrophobic composite block”在Advanced Materials上在线发表。第一及通讯作者为王山林副教授，共同第一作者为2020级硕士研究生赵智猛（现于国防科技大学攻读博士学位），通讯单位为西南科技大学。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202403853

超疏水复合块材的结构设计

超疏水复合块材的结构设计应满足两个设计标准：（1）用于微骨架结构的材料具有固有的抗压缩和耐磨性；（2）超疏水纳米填料在微骨架内具有一致性和致密性。使得超疏水纳米填料在压缩或摩擦条件下的产生的额外支撑力可以有效地平衡微骨架的弯曲应力，因此整体机械性能得到极大地提高。

图1 超疏水复合块材的结构设计

超疏水复合块材的制备与表征

近零收缩的二氧化硅气凝胶的百分百绝对填充是影响超疏水复合块材优异多功能性的关键因素，可以直接影响复合块材的机械性能和超疏水特性。通过micro-CT以非破坏性方式重建的三维虚拟模型显示了我们超疏水复合块材的制备过程，经过灌注、溶胶-凝胶、干燥和氟化等连续过程制备可得。表面的微观形貌和代表元素(Fe、Ni、Si、O)的分布图表明，具有纳米孔结构的二氧化硅气凝胶均匀填充在铁镍泡沫中。Micro-CT切片图像进一步证明了二氧化硅气凝胶的一致性及其微骨架的占比(8-20%)。可定制形状的复杂组件“SWUST”字母样品使得复合块材具有可定制的原位制造潜力，适应更广泛的应用，特别是在具有专门结构的设备中。这些结果充分证实了我们的超疏水复合块材的制备是成功的，符合上述结构设计标准，这将为下面关于力学性能的讨论提供可靠的保证。

图2 超疏水复合块材的制备与表征

超疏水复合块材的机械稳定性

基于我们的设计，微骨架增强题和超疏水纳米填料的协同作用显著提高了整体复合材料结构的机械性能。泡沫铁镍和二氧化硅气凝胶的最大抗压强度仅为0.9 MPa (7%)和0.7 MPa (10%)。而超疏水复合块材在8%应变下的抗压强度高达7.4 MPa，甚至达到了泡沫混凝土砌块的应用标准。通过对此进行受力分析(F = (FIN + FSA)/(1 - (h/l)2(1 - ε)2))充分证实了微米级增强体与超疏水纳米填料之间的相互支撑是大幅度提高复合块体抗压强度的有效策略。优异的机械耐磨性也是超疏水材料走向实际应用的关键。通过对超疏水复合块材的全寿命超疏水性机理进行分析可知。一方面，铁镍泡沫微骨架可以有效保护超疏水二氧化硅气凝胶，提供较强的耐磨性。另一方面，致密的气凝胶也可以反向保护微骨架在磨损过程中不发生弯曲变形。根据直径约为110 μm，长度约为500 μm的理想泡沫铁镍模型，这确保了小于20%的微骨架面积暴露在超疏水复合块材表面。通过Cassie-Baxter模型，如果f < 20%，表明超疏水复合块材在多次机械磨损后仍保持其非润湿性。

更重要的是，即使经过5万次磨损循环，超疏水复合块材仍然可以保持静态接触角(SCA)大于150°，滚动角(RA)小于20°，相对高度保持在94.3%，且二氧化硅气凝胶仍然紧密地填充在铁镍微骨架中，没有明显的变形，从而保证了其动态拒水滴性。这远远超过了现有的超疏水材料的报道。

图3 超疏水复合块材的机械鲁棒性

超疏水复合块材表面的水收集性能

沙漠甲虫可以通过其囊体的不均匀润湿性来解决获取饮用水的挑战，这是一种仿生结构，在水收集领域受到了相当大的关注。根据我们的设计，超疏水复合块材可以通过微骨架和二氧化硅气凝胶提供亲水点和超疏水区域来构建非均匀润湿结构，并通过微骨架的导热性和气凝胶的绝缘性能形成热通道。表明我们可以通过控制热传导通道(铁镍微骨架)与表面环境之间的温差来加速冷凝，并保持超疏水气凝胶上稳定的滴状冷凝以及时脱附，从而显著提高集水效率。当ΔT = 40 K时，WHR从ΔT = 0 K时的2355.625 mg cm-2 h-1增加到3114.375 mg cm-2 h-1。这与我们最初的设计是一致的，即随着微骨架过冷度的增加，液滴成核和生长速度会有效提高，气凝胶超疏水表面可以保证液滴的有效解吸。为了进一步证明这一点，随着ΔT浓度的增加，液滴的平均直径、覆盖率和更换频率均呈增加趋势。进一步证实了通过提高过冷度来提高集水效率的策略是积极有效的，其集水效率远高于以往报道。这表明我们的超疏水复合块材对极端环境具有良好的适应性，这对扩大其应用范围具有重要意义。

图4 超疏水复合块材表面的水收集性能

小结

该工作首次展示了一种协同保护设计，以实现具有高抗压强度和超低磨损率的全寿命超疏水复合块体。这一进展解决了传统超疏水表面不能承受持久机械应力的功能失效问题。通过填充近零收缩超疏水二氧化硅气凝胶，复合块体的抗压强度可由铁镍泡沫的~0.9 MPa提高到惊人的~7.4 MPa，其Taber耐磨性也可达到前所未有的88183 r mm-1，甚至超过CS-10橡胶砂轮的耐磨性(6849 r mm-1)。此外，复合块体独特的非均匀润湿性不仅具有沙漠甲虫的高效集水特性，而且在过冷度为40 K时，利用微骨架的热通道和纳米填料的绝热性，可使水收集效率提高32.2%。这种协同保护将为在复杂环境中设计具有持久性和稳定性与一体的工程化实际应用的超疏水材料提供新的策略。

王山林，西南科技大学材料与化学学院&环境友好能源材料国家重点实验室&生物质材料教育部工程研究中心，副教授，硕士生导师，四川省学术和技术带头人后备人选，中国机械工程学会材料分会委员、全国材料与器件科学家智库功能材料与器件专家委员、全国研究生教育评估监测专家库专家。主要从事表界面防护材料的设计与开发研究，先后主持国家自然科学基金面上项目、青年基金项目等科研项目10余项,以一作或通讯作者身份在Adv. Mater.、Chem. Eng. J.、J. Mater. Chem. A等期刊发表论文20余篇（封面论文2篇），申请专利20余件（转化4件，最高金额101万元），研究成果已依托企业服务于中物院、九洲等多个军工单位。获省级教学团队1个、课程3个，教学竞赛获奖5项。指导学生主持科技项目3项，科技竞赛获奖10余项，获校优秀毕业生2人、优秀毕业/学位论文3篇。