铝合金超疏水表面制备及性能研究

摘要

铝及铝合金具有良好的导电性、导热性、延展性和机械加工性等，被广泛应用在日常生活和生产中。在面对不同应用环境时，铝合金产品会出现表面污染、腐蚀及结冰等问题，产生经济损失及安全使用性问题。而使铝及铝合金表面达到超疏水化，可以有效缓解这些问题。 本文通过在铝合金表面构建粗糙结构和降低表面能，制备了超疏水性铝合金表面，主要研究结果如下： (1)利用3mol/LHCl溶液刻蚀铝合金表面，以构建微纳粗糙结构，得到亲水性表面，并用全氟癸基三乙氧基硅烷溶液浸泡刻蚀样品30min，以降低表面能，最终实现了超疏水性。研究不同刻蚀时间对样品表面润湿性的影响，结果表明刻蚀15min的样品，接触角最大，最大值为154.2°，此时滚动角为5°，达到超疏水性。对该样品进行大气稳定性测试，表明在空气环境中静置100天后，表面接触角降为152.3°，仍然具有超疏水性。耐磨性测试表明，当摩擦距离为10~30cm时，接触角大于150°，具有超疏水效果，而当大于30cm时，接触角开始小于150°，失去超疏水效果。自清洁测试表明，超疏水表面具有优异的自清洁性能。相对原始铝合金表面，该样品的自腐蚀电流升高了4.586×10-6A·cm-2，阻抗值降低了1.37kΩ·cm2，耐蚀性相对降低。防冰测试表明，超疏水样品表面使水滴结冰过程延长2~6min，并且在动态滴水过程中，超疏水表面未出现结冰情况，有效提高了基底的防冰性能。 (2)在3mol/LHCl刻蚀15min的铝合金基底上，利用磁控溅射设备沉积TiN薄膜，构建表面粗糙结构，并用全氟癸基三乙氧基硅烷溶液浸泡各个样品30min，以降低表面能，最终达到超疏水效果。研究不同沉积时间对样品表面的影响，发现当沉积时间为2h时，接触角最大，最大值为153.5°±0.5°，此时滚动角为8°。对该样品进行大气稳定性表征，发现在大气环境静置100天后，表面接触角降为150.5°。耐磨测试表明，当摩擦距离为10~50cm时，接触角仍大于150°，当大于50cm时，接触角开始小于150°，失去超疏水效果。自清洁测试表明，超疏水表面具有良好的自清洁性能。相对原始铝合金，超疏水样品的自腐蚀电流降低一个数量级，阻抗值增加4.02kΩ·cm2，耐蚀性相对提高。 (3)运用提拉浸渍法，将PDMS(polydimethylsiloxane)/SiO2混合溶液涂在HCl刻蚀15min的铝合金基底上，制备超疏水表面。研究了不同含量的SiO2对表面润湿性及性能的影响，研究结果表明，当SiO2含量为6wt.%时，接触角最大，最大值为162.3°，此时滚动角为3°。该样品在大气环境下静置100天后，接触角仍然达到160°，超疏水涂层基本不受大气环境的影响。耐磨性测试表明，摩擦距离为10~60cm时，接触角大于150°，当距离大于60cm时，样品接触角开始小于150°，失去超疏水性。但直至摩擦至150cm，样品的接触角处于140°以上。自清洁性能表明，超疏水表面的自清洁性较优异。相对于原始铝合金，超疏水样品自腐蚀电流降低2个数量级，阻抗值增加1.13kΩ·cm2，耐蚀性提高。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 超疏水表面理论基础

1.2.1 润湿性及Young’s方程

1.2.2 Wenzel模型

1.2.3 Cassie模型

1.2.4 滚动角及接触角滞后

1.3 超疏水表面制备方法及研究进展

1.3.1 化学刻蚀法

1.3.2 激光刻蚀法

1.3.3 溶胶凝胶法

1.3.4 水热法

1.3.5 电化学沉积法

1.4 超疏水表面应用性能及研究

1.4.1 防结冰性能

1.4.2 减阻性能

1.4.3 油-水分离

1.4.4 抗菌性

1.5 铝及铝合金

1.5.1 铝及铝合金特点及应用问题

1.5.2 铝合金超疏水表面研究进展

1.6 超疏水表面研究中存在的问题

1.7 本课题的研究意义及内容

第2章 实验材料及表征

2.1 实验材料

2.2 样品表面表征方法

2.2.1 扫描电子显微镜

2.2.2 接触角测试仪

2.2.3 能量色散谱仪

2.2.4 傅里叶变换红外光谱仪

2.2.5 大气稳定性表征

2.2.6 耐磨性能表征

2.2.7 自清洁性能表征

2.2.8 电化学工作站

2.2.9 防结冰性能表征

第3章 化学刻蚀法制备铝合金超疏水表面

3.1 引言

3.2 超疏水样品的制备与表征

3.2.1 超疏水样品的制备

3.2.2 超疏水样品的表征

3.3 结果与讨论

3.3.1 样品表面微观形貌分析

3.3.2 刻蚀时间对表面润湿性影响分析

3.3.3 XRD分析

3.3.4 超疏水铝合金表面成分分析

3.3.5 大气稳定性

3.3.6 耐磨性能

3.3.7 自清洁性能

3.3.8 耐蚀性能分析

3.3.9 防结冰性能

3.4 本章小结

第4章 磁控溅射法制备超疏水铝合金表面

4.1 引言

4.2 超疏水样品的制备及表征

4.2.1 超疏水样品的制备

4.2.2 超疏水样品的表征

4.3 结果与讨论

4.3.1 表面形貌分析

4.3.2 接触角测试

4.3.3 表面成分分析

4.3.4 大气稳定性

4.3.5 耐磨性能

4.3.6 自清洁性能

4.3.7 耐蚀性能

4.4 小结

第5章 PDMS/SiO2涂层制备铝合金超疏水表面

5.1 引言

5.2 超疏水样品的制备及表征

5.2.1 超疏水样品的制备

5.2.2 超疏水样品的表征

5.3 结果与讨论

5.3.1 表面形貌表征

5.3.2 接触角测试

5.3.3 成分分析

5.3.4 大气稳定性

5.3.5 耐磨性能

5.3.6 自清洁性能

5.3.7 耐蚀性能

5.4 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢