超疏水表面因其在防冰、自清洁、油水分离等领域的潜在应用备受关注。传统制备方法依赖含氟化合物或多步骤复杂工艺，严重限制其应用。本文提出一种基于大气压等离子体技术（AP-DBD）的简易策略，通过调控基材表面粗糙度的偏度（Rskᵐ），在工业金属箔上成功制备了高性能超疏水涂层。

研究结合光子湾3D共聚焦显微镜的高精度三维形貌分析技术，揭示了微米级粗糙度对称性对表面润湿行为的决定性作用，为超疏水表面的工业化制备提供了新思路。

实验方法

基底制备

冷轧铝箔：通过传统研磨技术控制表面滚压纹路的粗糙度。

电沉积铜箔：通过电镀工艺调节表面微米级纹理，并用氮气/氧气等离子体预处理。

涂层沉积
采用AP-DBD PE-CVD技术，以六甲基二硅氧烷（HMDSO）为前驱体，在氮气氛围中沉积纳米粗糙PDMS涂层。工艺参数：功率密度1 W/cm²，前驱体浓度1000 ppm，频率22.5 kHz。

表征手段

化学组成：傅里叶红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）。

表面形貌：扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、共聚焦显微镜。

润湿性：接触角测量仪（WCA、CAH）。

涂层化学与纳米结构表征

超疏水pp-PDMS涂层电沉积铜箔（样品#12）的傅里叶变换红外光谱（FTIR）

化学组成分析

FTIR光谱显示，所有样品在 1000–1200 cm⁻¹ 处均出现 Si-O-Si 特征吸收峰，证实 PDMS 交联网络的形成；1260 cm⁻¹ 处的 Si-(CH₃)₂弯曲振动峰表明涂层具有疏水甲基基团。

XPS分析表明，涂层表面元素组成为硅（27%）、氧（24%）、碳（41%）、氮（8%，原子百分比），且未检测到基底金属元素（铝或铜），说明涂层均匀覆盖基底表面。

超疏水pp-PDMS涂层电沉积铜箔（样品#12）的扫描电子显微镜（SEM）图像

电沉积铜箔上pp-PDMS薄膜的原子力显微镜（AFM）三维地形图（样品#12）

纳米形貌特征

SEM 与 AFM 图像显示，PDMS 涂层由 200–300 nm 的颗粒聚集体组成，单个初级颗粒尺寸约 50 nm，纳米级粗糙度参数均一（算术平均偏差 Saⁿ=14 nm，偏度 Sskⁿ=0.46），与荷叶表面蜡质晶体尺寸（约 100 nm）高度匹配，为超疏水性提供了纳米级结构基础。

基底微米级粗糙度对润湿性的影响

润湿性差异：相同涂层条件下，电沉积铜箔基底样品（如 #12、#13、#16）表现出优异的超疏水性能（WCA>150°，CAH<10°），而冷轧铝箔基底样品（如 #3）虽 WCA>150°，但 CAH 高达 33°，水滴在表面显著粘附，甚至倒置时仍不脱落。

电沉积铜箔（0.1 < Ram < 0.2）的共聚焦显微镜三维地形图像

水接触角（WCA）与粗糙度参数的关联图：（a）算术平均偏差（Ra^m）;（b）平均高度（Rc^m）;（c）平均宽度（RSm^m）;（d）偏斜度（Rsk^m）

粗糙度参数分析

通过共聚焦显微镜对基底微米级粗糙度进行量化，发现：

Ra^m（算术平均粗糙度）：0.1-1.3 μm范围内，WCA与Ra^m无明确相关性。

Rsk^m（粗糙度偏斜度）：当Rsk^m接近0（对称分布）时，WCA最高；Rsk^m负偏离（谷占优）或正偏离（峰占优）均导致WCA下降。

机理解释：对称粗糙度分布（Rsk^m≈0）利于维持Cassie–Baxter态，减少液固接触面积；而冷轧铝箔的宽槽结构（Rskm<0）使水滴易渗入沟槽，转向Wenzel态。

超疏水表面的稳定性与应用潜力

稳定性：涂层在空气中存放6个月、浸水或乙醇后仍保持超疏水性，pH 2-14范围内稳定。

工业化优势：AP-DBD技术无需溶剂，适用于卷对卷生产，可扩展至纺织、木材等基材。

本研究揭示了表面粗糙度偏斜度（Rskᵐ）对超疏水性能的决定性作用，对称分布（Rskᵐ≈0）是实现高WCA与低CAH的关键。未来工作将探索更多基材（如金属网格）的应用，推动超疏水技术在微流体、油水分离等领域的商业化。

光子湾3D共聚焦显微镜

光子湾3D共聚焦显微镜是一款用于对各种精密器件及材料表面，可应对多样化测量场景，能够快速高效完成亚微米级形貌和表面粗糙度的精准测量任务，提供值得信赖的高质量数据。

◼超宽视野范围，高精细彩色图像观察

◼提供粗糙度、几何轮廓、结构、频率、功能等五大分析功能

◼采用针孔共聚焦光学系统，高稳定性结构设计

◼提供调整位置、纠正、滤波、提取四大模块的数据处理功能

通过简单且可扩展的AP-DBD工艺与光子湾3D共聚焦显微镜的先进三维成像与量化分析能力，结合基材微米粗糙度与纳米涂层，成功制备了高性能超疏水表面。这一发现为工业级超疏水材料的开发提供了新思路，凸显了表面形貌对称性的科学价值。

原文出处：《A simple and scalable approach towards the preparation of superhydrophobic surfaces importance of the surface roughness skewness》