铝合金基体上超疏水表面的制备研究

摘要

超疏水表面指的是液滴接触角大于150度同时滚动角小于10度的表面。超疏水表面具有流体减阻、防冰、自洁净和表面缓蚀等特点。所以超疏水表面的应用在生活、生产、医学等各种场合都具有很大潜力。然而,目前的超疏水表面加工技术受着制取过程繁复、仪器价格高昂、较大面积生产困难等制约。这些问题阻碍了超疏水表面的广泛应用。金属铝及其合金具备较好的材料性能,从而它们得到了普遍使用。以简易、经济的方式在金属铝基体上制得超疏水表面，对于促进超疏水表面的发展与应用有深远的指导作用。 论文依据化学蚀刻法提出简单、经济、高效的新思路制得了超疏水铝合金。在一定浓度的盐酸溶液中仅利用一步化学蚀刻构建出微米级孔洞粗糙结构,在140℃恒热高温下加热5min构建出具有凹角形貌的微-纳米复合粗糙结构。制备出的样品表面实现了超疏水性能,与水的接触角达到167.2度,滚动角度仅为2.3度。采用接触角测量仪、扫描电子显微镜及能谱仪对制得的超疏水铝合金样品表面的润湿性、微观结构和组成成分进行表征。从微观结构方面对超疏水铝合金表面的超疏水性能实现进行了分析。结果表明,适合的微结构即微-纳米双重复合结粗糙构是样品达到超疏水的重要原因。为探究制备的超疏水铝合金样品的稳定性和耐久性，通过静态实验和浸泡实验我们发现，制备的超疏水铝合金样品的接触角始终大于150度，证明制备的超疏水铝合金样品表面具有很好的稳定性和耐久性。 为探究制备铝合金基体超疏水表面的最优反应条件,基于正交试验,分析了蚀刻液浓度,刻蚀时间、加热温度和加热时间对获得铝合金超疏水疏水性的影响，通过L16(44)正交试验表设计实验，并得到影响制备超疏水铝合金表面因素的主次顺序为加热温度、刻蚀时间、刻蚀液浓度和加热时间。确定的最优组合为：V(HCL)∶V(H2O)=1∶5,刻蚀10min,140℃高温处理5min。

目录

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引言

1 绪论

超疏水表面的定义

自然界中超疏水现象

超疏水表面制备技术的研究现状

电沉积法

溶液浸泡法

化学气相沉积法

物理气相沉积法

机械加工法

激光刻蚀法

溶胶-凝胶法

等离子体刻蚀法

模板法

其它方法

1.5.8.1 静电纺纱法

1.5.8.2 水热合成法

1.5.8.3 熔体固化法

1.5.8.5 聚电解质交替沉积法

制备超疏水表面技术中尚存在的问题

超疏水表面技术发展前景

2 超疏水表面的相关理论

2.1 静态接触角

2.1.1 理想状态下的接触角方程——Young氏方程

2.1.2 水滴在粗糙固体表面接触的Wenzel模式

2.1.3 水滴在粗糙固体表面接触的Cassie模式

2.1.4 Wenzel模式和Cassie模式之间的关系

2.2 接触角滞后

2.3 水滴在固体表面上的滚动角

2.4 超疏水表面的构筑策略

2.4.1 表面微观几何结构

2.4.2 低表面能修饰

3 一步化学刻蚀法制备铝合金基超疏水表面

3.1 引言

3.2 制备装置与表征仪器

3.2.1 实验材料与装置

3.2.2 超疏水表面的表征

3.3 超疏水铝合金表面的制备过程

3.3.1 微米级粗糙结构表面的制备

3.3.2 纳米级粗糙结构表面的制备

3.4 超疏水铝合金表面的表征

3.4.1 表面润湿性

3.4.2 表面微观形貌

3.4.3 表面化学元素

3.4.4 表面微结构的形成机理

3.5 超疏水表面的稳定性分析

3.6 本章小结

4 制备超疏水铝合金表面相关参数的选择

4.1 正交试验法

4.1.1 正交试验法的基本概念

4.1.2 正交试验法的基本原理

4.1.3 正交表及其基本性质

4.1.4 正交实验设计的基本程序

4.3 正交实验最优组合的实验验证

4.4本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望