图1 等离子喷涂原理图

    等离子喷涂技术根据喷涂原料状态不同分为大气等离子喷涂和液相等离子喷涂。大气等离子喷涂的原料为干燥的陶瓷或者金属粉末，为了保证喷涂时良好的粉末流动性，喷涂粉末粒径一般在10 μm以上。液相等离子喷涂的原料为含有喷涂材料的溶液，又分为悬浮液等离子喷涂（SPS）和溶液前驱体等离子喷涂（SPPS）。SPS的原料为含亚微米或者纳米粒子的分散悬浮液，悬浮液的溶剂通常为水和乙醇。SPPS的原料为涂层材料的前驱体盐溶液，溶剂为水、乙醇或者其他有机溶液。无论是大气等离子喷涂还是液相等离子喷涂，制备超疏水表面都分为一步法和两步法制备。

    利用大气等离子喷涂两步法制备超疏水表面时，首先需要构造具有分层结构的粗糙表面。这种分层结构一般为微米/亚微米尺寸，稍大于传统的超疏水表面所需要的微米/纳米尺寸，但进一步低表面能修饰就能使涂层具有超疏水性。制备具有吸附和分解空气中CO₂能力的活性金属涂层或者具有自发吸附空气中碳质的涂层能一步实现涂层的超疏水性，但这种自发疏水化的过程往往耗时较长。采用改进型的喷嘴实现金属/有机混合双喷可一步制备立刻超疏水的涂层。

    液相等离子喷涂两步法制备主要采用SPS的方法，一步法制备主要采用SPPS的方法。利用SPS方法首先构造具有微纳米尺寸的分层结构，进一步的低表面能处理即可获得超疏水涂层。SPPS采用自身具有疏水性的稀土氧化物盐溶液为原料，在一定喷涂参数下可一步制备超疏水表面。液相等离子喷涂制备的超疏水表面疏水性能略高于大气等离子喷涂。主要原因是大气等离子喷涂所制备的双层粗糙结构一般都为微米/亚微米量级，液相等离子喷涂制备的粗糙结构更容易达到微米/纳米量级，因此，在相同的条件下，液相等离子喷涂制备的涂层具有更好的疏水性能。

    利用等离子喷涂来制备超疏水表面具有喷涂过程简单高效、操作简单、制备成本低等优势。同时，等离子喷涂更加容易制备耐磨性和耐候性优异的超疏水涂层。喷涂材料一般为陶瓷或者金属材料，相比有机物为主要成分的涂层具有更好的耐磨性和耐候性，如采用稀土氧化物制备的疏水涂层具有优异的耐磨性和高温稳定性。然而，作为一种新的制备超疏水表面的技术，相关研究还处在发展阶段，也存在一些需要解决的问题：首先，工艺参数探索复杂。超疏水的双层粗糙结构需要在特定的喷涂参数下实现，喷涂热输入量，保护气和送粉气的类型以及压力，喷涂材料类型及尺寸形状等都对涂层的最终形貌产生巨大的影响。建立喷涂参数、材料、形貌之间的对应关系是目前利用等离子喷涂制备超疏水表面需要做的基础工作。其次，原料成本，制备效率与性能之间的平衡难以取舍。常规的两步法制备需要先喷涂出分层粗糙结构，然后利用低表面能物质修饰才能达到超疏水状态。这样的制备方法相对来说程序繁琐，比较耗时。一步法制备需要在喷涂原料中加入低表面能的聚合物，或直接采用自身具有疏水特性的稀土氧化物。但聚合物会降低涂层的耐磨性能，稀土氧化物成本高昂。如何在原料成本，制备效率和性能之间找到平衡点也是利用等离子喷涂制备超疏水表面所面临的挑战之一。

原文出处：

李少伟，李疆，田煜，郑雁军

材料工程

2023,51(2): 67-79

DOI:10.11868/j.issn.1001-4381.2022.000209