船用金属材料超疏水表面的制备及其防污性能研究

摘要

人类开发和利用海洋的所有设施都不可避免地遭受海洋生物的附着污损。这些海洋污损生物会给舰船带来航行阻力增大、燃料消耗增加和航速下降等问题。仿生学研究发现，在海洋中生活的大多数生物依据其特殊的表面形貌能够抵制多种海洋污损生物的附着。例如，鲨鱼的皮肤表面布满了微米级肋条状真皮组织，其上还覆有呈现出疏水特性的纳米级刺状突起或刚毛，使植物孢子很难附着在上面，海藻或其他植物无法在其表面上生长。鲨鱼皮效应为基于表面形貌与表面润湿性相结合的超疏水表面抗附着思想奠定了理论基础。本文以船用金属Q235A级钢板和Ti6A14V合金为基体材料，利用在其表面构筑微结构与纳米粒子植入相结合的方法，制备具有微纳二级结构的仿生超疏水表面，并研究其表面的润湿性与防污性能。主要研究内容及结果如下:
　　 1)以Q235A级钢板为基底材料，通过表面激光加工构筑微米网格形貌，然后利用溶胶凝胶法以硅树脂为基体、纳米二氧化硅为填料，并修饰低表面能物质，制备超疏水钢板表面。通过改变二氧化硅浓度调控表面润湿性。实验表明，材料表面接触角随着纳米二氧化硅浓度的增大而增大，最大可达168.2°;滚动角随着纳米二氧化硅浓度的增大而减小，最小仅为0.29°。
　　 2)以钛合金为基底材料，用上述方法制备超疏水钛合金表面。通过改变激光加工的点阵微结构的间距调控表面润湿性。实验表明，材料表面接触角随着点阵间距减小而增大，最大可达163.8°;滚动角随着点阵间距减小而减小，最小仅为0.89°。激光加工网格微结构与点阵微结构相比较，点阵微结构表面符合Wenzel模式的疏水状态，而网格微结构表面符合Wenzel模式的超疏水状态。在点阵和网格微结构上涂覆SiO2形成微纳结构表面均符合Cassie模式的超疏水状态，且网格结构表面的接触角更大，滚动角更小。
　　 3)利用沉浸实验和实海挂板实验，研究具有不同润湿性的钛合金表面的防污性能。实验显示试样表面粘膜附着量为:超亲水的点阵微结构表面＞亲水的抛光表面＞超亲水状态的仿生网格微结构表面＞超疏水表面。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 海洋生物污损及其危害

1．2 防污涂料研究现状

1．2．1 防污涂料的发展

1．2．2 低表面能防污涂料的研究现状

1．3 仿生表面防污

1．3．1 海洋中动物和生物表面防污机理

1．3．2 超疏水表面的防污研究

1．5 本文的选题意义及研究内容

1．5．1 选题意义

1．5．2 研究内容

第2章 实验仪器与实验方法

2．1 实验材料与实验试剂

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验试剂

2．2 实验设备与仪器

2．2．1 实验设备

2．2．2 实验仪器

2．3 实验方法

2．3．1 实验所用Q235A级钢超疏水表面的制备

2．3．2 实验所用Ti6ALAV合金超疏水表面的制备

2．3．3 滚动角测量实验的设计

第3章 船用Q235A级钢板润湿性研究

3．1 引言

3．2 激光加工试样表面形貌

3．3 涂覆纳米二氧化硅试样表面形貌

3．4 试样表面接触角

3．5 试样表面滚动角

3．6 本章小结

第4章 船用钛合金润湿性研究

4．1 引言

4．2 激光加工试样表面形貌

4．2．1 激光加工点阵形貌

4．2．2 激光加工网格形貌

4．3 涂覆纳米二氧化硅试样表面表征

4．4 试样表面接触角

4．4．1 点阵结构试样接触角

4．4．2 网格结构试样接触角

4．5 试样表面滚动角

4．5．1 点阵结构表面滚动角

4．5．2 网格结构表面滚动角

4．6 本章小结

第5章 船用金属超疏水表面的防污性能研究

5．1 引言

5．2 短期防污性能评价方法

5．3 沉浸实验

5．4 实海挂板

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢