超疏水表面在液滴传输、传感器以及微流控等众多领域展现出极大的应用潜力。目前，绝大多数超疏水表面是构建于刚性基板，或者变形程度较低的柔性基板之上。但这类超疏水表面存在明显缺陷，一旦发生变形，其超疏水性能便难以维持，这一问题严重制约了超疏水表面从实验室走向实际应用的进程。与此同时，利用传统方式制备超疏水表面，所涉及的过程复杂且成本更高，不利于大规模推广应用。

基于以上现状，研发一种简便易行且经济高效的制备工艺，用以生产能承受高度拉伸的超疏水膜，已成为该领域亟待解决的关键问题。 近日，鲁东大学陈雪叶教授团队采用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术结合模塑法，设计制造了一种具有高拉伸PDMS/二甲基硅油超疏水薄膜(Pdoshtf)。该研究采用摩方精密nanoArch® P150（精度：25μm）3D打印设备与模塑法结合制备出具有高拉伸PDMS/二甲基硅油超疏水薄膜(Pdoshtf)。该制备方法不仅过程简单，而且成本较低。

此外，研究团队还通过BP神经网络成功预测了PDMS/二甲基硅油薄膜最大拉伸率与PDMS预聚物A、交联剂B、二甲基硅油不同配比的关系，得到最优配比为10:1:3.20。所制备的 Pdoshtf 表现出优异的拉伸性能和超疏水稳定性，断裂拉伸率为 300%。该薄膜在拉伸 250% 后，仍能保持优异的超疏水性能。此外，落在 Pdoshtf 上的液滴会及时反弹，没有任何残留物，显示出优异的超疏水特性。最后，团队设计制备了一种由 Pdoshtf 和电磁系统组成的能量收集装置，该装置可以通过液滴和反弹来收集雨滴的能量。 相关成果以“Fabrication and energy collection of PDMS/ dimethylsilicone oil superhydrophobic high tensile film”为题发表在国际高水平期刊《Chemical Engineering Journal》上，鲁东大学2022级研究生张培华、2024级研究生江润鹏、2023级本科生李博源为共同第一作者，陈雪叶教授为通讯作者。 

（1）通过3D打印模板法，结合硅烷化处理与二氧化硅纳米颗粒涂层技术，制备PDMS/二甲基硅油超疏水高拉伸薄膜（图1）。

图1.Pdoshtf 的制备 a) 树脂模具的制备和硅烷化；b) 制备二氧化硅纳米颗粒的超疏水涂层；c) Pdoshtf 的制备; D) PDMS/二甲基硅油的合成机理和工作原理。

（2）通过BP神经网络优化PDMS/硅油配比，预测薄膜最大拉伸率。输入层为预聚物、交联剂、硅油比例，输出层为拉伸率。基于190组正交实验数据（140组训练、50组测试），模型预测结果与实际实验的相关系数 R2 达0.99，验证了机器学习在材料设计中的可靠性。最终确定最优配比为10:1:3.20，拉伸率较普通PDMS提升275%。研究还发现，硅油含量过高会导致交联网络松散，机械强度下降，凸显了配比平衡的重要性（图2）。 

图2. 机器学习结果。 

（3）为了进一步研究影响拉伸性能与超疏水稳定性关联。研究团队探究了微结构参数（直径、高度、间隙）及拉伸应变对疏水性能的影响。当圆柱直径600 μm、间隙700 μm时，接触角最大（153°），滚动角最低（8°）。拉伸测试显示，薄膜断裂拉伸率达300%，远超普通PDMS（80%）。在250%应变下，接触角仍保持>150°，归因于微纳结构的弹性恢复能力。循环拉伸实验（300次，100%应变）后接触角无显著下降，证明其耐久性（图3）。

图3. Pdoshtf 拉伸性能测试 a) 随着微米级圆柱形结构直径的增加，Pdoshtf 的接触角和滚动角发生变化; b) 高拉伸 PDMS/二甲基硅油超疏水膜的接触角和滚动角随微米级圆柱形结构高度的增加而变化; c) Pdoshtf 的接触角和滚动角随微米级圆柱形结构间隙的增加而变化 d) 液滴落在高拉伸 PDMS/二甲基硅油超疏水薄膜上的光学照片，干燥液滴后，液滴呈球形; e) 落在应变范围为 0% 至 200% 的 Pdoshtf 上的液滴的光学图像; f) Pdoshtf 和普通 PDMS 薄膜的应力-应变曲线; g) 不同拉伸循环下 Pdoshtf 接触角的变化; h) 不同应变条件下Pdoshtf接触角的变化。 

（4）通过高速摄像（10,000 fps）和COMSOL模拟，对比Pdoshf与普通薄膜的液滴动力学行为。直径2 mm的液滴从1 cm高度跌落，Pdoshf表面液滴5.2 ms内完全反弹，而普通薄膜因黏附力滞留。韦伯数分析显示，液滴动能越大，最大铺展直径增加，反弹时间缩短。数值模拟结合Navier-Stokes方程与固体力学模型，验证了薄膜压缩位移与液滴动能的线性关系，为能量收集装置设计提供参数优化依据（图4）。

图4. 液滴实验和模拟 a) 液滴滴落在 Pdoshtf 和 PDMS/二甲基硅油膜上的过程; b) 不同韦伯数下液滴的最大扩散半径和与表面完全分离的时间; c) 落在普通 PDMS 表面的液滴示意图; d) 液滴落在普通 PDMS 表面的模拟结果; e） 不同半径的液滴以不同的高度释放到普通 PDMS 的表面。

（5）通过Pdoshf设计了雨滴能量收集装置。当雨滴冲击薄膜时，压缩形变驱动下方线圈切割磁感线（磁场强度0.5 T），单次液滴（直径2 mm，高度1 cm）可产生双峰电流（峰值0.5 μA）。实验表明，液滴质量、高度与电流强度正相关（如质量增加50%，电流提升120%）。装置采用玻璃罩保护、铜线圈（匝数200）和电位计实时监测，在模拟降雨环境（20滴/分钟）下可持续输出电能。该设计为物联网传感器、环境监测设备提供了自供能解决方案，拓展了超疏水材料的应用场景（图5）。

图5. Pdoshtf 磁电发电机和产生的电流的示意图; a) Pdoshtf 磁电发电机设计示意图; b) Pdoshtf 磁场切割发电示意图 c) Pdoshtf 物理装置的 3D 图纸和 2D 图纸; d) 在液滴下落所需的时间内产生电流的情况; e) 不同高度、速度、质量和体积的液滴落在Pdoshtf上以产生电流条件。

总结：本文提出一种3D打印模板法制备高拉伸PDMS/二甲基硅油超疏水薄膜，通过BP神经网络的到PDMS预聚物A、交联剂B、二甲基硅油的最优配比为10:1:3.20。通过此方法制备的薄膜具有优异的拉伸性能和超疏水性能。此外，将高拉伸PDMS/二甲基硅油超疏水薄膜与磁铁结合设计了一种能量收集装置，在雨水发电领域具有应用前景。 

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.161028