铜基和铝基超疏水表面的制备及摩擦学性能研究

摘要

固体表面的浸润性决定着它们自身的应用与价值，近年来超疏水材料已经在生产生活领域展现出其巨大的潜在用途。而铜和铝材料是工业国防领域的主导材料，但它们仍然面临着磨损和腐蚀两大严重问题。基于这些问题，本文采用不同的表面制备技术，分别在铜和铝表面构建了三种具有不同表面几何形貌的仿生超疏水复合结构，进而考察了各个样品的摩擦学性能、耐酸碱腐蚀性能以及超疏水稳定性。主要研究内容和结果如下:
　　1.通过两步溶液浸泡过程结合表面修饰硬脂酸技术成功在铜基底上制备了具有低摩擦系数和耐酸碱性能的超疏水Ag-Cu2O/STA表面。首先，将铜片浸入2mol·L-1 NaOH溶液中反应生成均匀的Cu2O四棱锥晶体结构，然后将其浸入0.33mmol·L-1 AgNO3溶液中进行置换反应，可以在Cu2O晶体结构之上沉积一层银纳米颗粒，最后利用硬脂酸乙醇溶液对所制得的层级粗糙结构进行低表面能修饰，赋予该表面以优异的超疏水性能。我们分别利用扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪对该薄膜进行表面形貌和表面化学成分分析，同时以X射线衍射仪辅助检测表面晶相结构。此外，我们还测量了该超疏水表面的润湿性能，并对其摩擦学性能和耐酸碱腐蚀性进行了初步的评估。结果表明:这种由银纳米颗粒和Cu2O晶体所构成的特殊微-纳层级结构经过疏水性硬脂酸的表面修饰后，表面对水的接触角达到了162.4°，同时，该表面还表现出良好的减摩性能以及一定的耐酸碱腐蚀性能，能够对铜基底起到很好的保护作用，因此该方法所制备的超疏水表面可以潜在应用于铜的表面修饰技术及摩擦学领域中。
　　2.利用氧化辅助酸刻蚀技术结合置换反应与硬脂酸修饰过程在铜基底上成功制备了具有双重粗糙结构的刻蚀Cu-Ag/STA超疏水表面。以(NH4)2S2O8溶液和HCl溶液的混合液作为刻蚀剂对铜片进行选择性刻蚀，然后通过与AgNO3溶液的置换反应过程在粗糙刻蚀铜表面生成均匀的银颗粒结构，从而可以在铜表面获得类荷叶的层级粗糙结构，最后在其表面修饰硬脂酸便可得到具有优异超疏水性能的复合表面。通过扫描电子显微镜，我们观察到该粗糙表面是由微米级凹凸结构和亚微米级颗粒所组成的双重粗糙结构。浸润性测试结果显示，所得复合表面对水的静态接触角高达160.5°，滚动角小于5°，表现出优异的超疏水性能。与此同时，该薄膜还具有良好的减摩性能与耐酸碱腐蚀性能，在许多工业领域中对于铜基底的防护具有潜在的应用的价值。
　　3.通过简单的三步溶液浸泡法成功在铝基底上制备了类荷时层级粗糙结构，该方法结合了盐酸刻蚀、热水浸泡和硬脂酸表面修饰过程。分别利用扫描电子显微镜和X射线光电子能谱对所制得的样品进行了表征，同时我们还对其表面的浸润性能、摩擦学性能以及自清洁性能进行了评价。结果显示，所得的刻蚀-水煮Al/STA表面由相互连通的微米级凹凸结构和均匀分布的纳米级片状结构组成，而这种双重尺度的层级结构赋予了该表面优异并且稳定的超疏水性能，其接触角高达164.2°，滚动角小于5°。此外，该超疏水表面还呈现出良好的减摩性能以及卓越的自清洁能力，对铝及其合金在不同工业领域的潜在应用提供了有利的价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 超疏水表面的基本理论及模型

1．1．1 光滑表面——Young’s方程

1．1．2 粗糙表面——Wellzel模型与Cassie-Baxter模型

1．1．3 接触角滞后及滚动角

1．2 超疏水表面的粗糙结构

1．2．1 不同尺度的粗糙结构

1．3 双尺度结构超疏水表面的特殊性能

1．3．1 摩擦学性能

1．3．2 耐腐蚀及超疏水稳定性

1．4 论文的选题依据及研究内容

1．4．1 选题依据

1．4．2 研究内容

参考文献

2 Ag-Cu2O／STA铜基超疏水表面的制备及其摩擦学性能和耐腐蚀性能

2．1 实验部分

2．1．1 实验原料

2．1．2 实验步骤

2．1．3 表面分析表征

2．2 结果与讨论

2．2．1 表面形貌分析

2．2．2 晶体结构分析

2．2．4 晶体形成机理

2．2．5 表面成分分析

2．2．6 表面浸润性分析

2．2．7 摩擦学性能测试

2．2．8 耐酸碱性能的测试

2．3 结论

参考文献

3 刻蚀Cu-Ag／STA超疏水表面的制备及其摩擦学性能和耐腐蚀性能

3．1 实验部分

3．1．1 实验原料

3．1．2 实验步骤

3．1．3 表面分析表征

3．2 结果与讨论

3．2．1 表面形貌分析

3．2．2 表面浸润性分析

3．2．3 表面成分分析

3．2．4 形成机理讨论

3．2．5 摩擦学性能测试

3．2．6 防腐蚀性能测试

3．3 结论

参考文献

4 具有良好减摩行为的铝基稳定超疏水表面制备及其表征

4．1 实验部分

4．1．1 实验原料

4．1．2 实验步骤

4．1．3 表面分析表征

4．2 结果与讨论

4．2．1 表面形貌分析

4．2．2 表面浸润性分析

4．2．3 表面成分分析

4．2．4 摩擦学性能测试

4．2．5 自清洁性能测试

4．2．6 超疏水稳定性的测试

4．3 结论

参考文献

5 结论

硕士期间科研成果

致谢