铝基超疏水表面的制备及其耐海水腐蚀性能的研究

摘要

近年来，受到仿生学的启发，超疏水表面逐渐走入人们的视野，基于其优异的耐污浊、自清洁、防冰凝、防腐蚀性能，在建筑业、工业、农业等各个领域得到了广泛的应用。随着我国海洋工业的迅速发展，开发海洋，利用海洋，缓解资源环境压力，成为亟待解决的问题。其中海水腐蚀是阻碍海洋工业发展的主要因素之一，本文中将超疏水表面与防海水腐蚀相结合，通过在材料表面制备超疏水涂层来达到缓蚀效果。超疏水表面微纳相结合的粗糙结构易被破坏进而导致了其疏水性能的降低，因此制备具有良好的机械疏水耐久度的基底来提高材料表面的使用寿命是超疏水广泛应用的关键因素。
　　由于铝在海洋中广泛的应用，本文利用商业铝片作为基底，通过阳极氧化法以及刻蚀法制备得到微纳相结合的粗糙结构，改性之后使表面具备超疏水性。通过CHI660E电化学工作站对制备的基底研究其耐腐蚀性能测试，利用UMT摩擦磨损实验机研究超疏水基底的摩擦性能以及机械疏水耐久度。研究发现:
　　(1)通过阳极氧化法对金属铝基底制备氧化铝，然后再经过20g/L的铬酸溶液刻蚀和熔融十四酸进行表面改性，得到了对水静态接触角达150°以上、滚动角为1°的超疏水表面。这种超疏水基底的抗海水腐蚀性能显著提高，缓蚀率可达99.99％，极大地减缓了基底在海水中的腐蚀速率。通过UMT摩擦磨损实验机利用钢球在0.5N负载下摩擦表面研究其摩擦性能，发现薄膜对基底起到了良好的保护作用，寿命超过1800s;利用金相抛光布在0.1N负载下摩擦表面研究机械疏水耐久度，2400周期后表面仍能保持一定的疏水性能。
　　(2)通过CuCl2溶液对铝基底进行刻蚀，后通过在恒温干燥箱中加热20h、熔融十四酸改性、加热20h后熔融十四酸改性三种方法制备得到超疏水表面，对水的静态接触角分别为146°、152°、154°，滚动角分别为8°、7°、4°。这些疏水表面在海水环境下都具有一定的缓蚀效果，缓蚀率分别为26.88％、98.06％、99.00％。且不同改性方法制备得到的基底具有不同的摩擦性能与不同的机械疏水耐久度，其中熔融十四酸改性基底耐磨性能最好，在0.5N负载下摩擦系数保持0.4超过1800s。机械疏水耐久度:加热20h后熔融十四酸改性基底＞熔融十四酸改性基底＞加热20h改性基底，在经过2400周期后并未完全丧失其疏水性。
　　本文中，将阳极氧化法、化学刻蚀法和低表面能涂层法有机结合，在铝基底上制备出了静态接触角大于150°的超疏水表面，且表面具有优异的耐腐蚀性能、较高机械疏水耐久度。实验结果对于金属铝在防海水腐蚀等实际应用中具有一定的意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 超疏水表面的理论基础

1．1．1 接触角与Young’s方程

1．1．2 粗糙固体表面的接触角

1．1．3 前进角、后退角与滚动角

1．2 铝的特点及其应用

1．2．1 铝在航空航天领域中的应用

1．2．2 铝在海洋工业领域的应用

1．2．3 铝在交通运输业中的应用

1．2．4 铝在其他行业中的应用

1．3 铝基超疏水表面耐海水腐蚀的研究

1．3．1 铝在海水中的腐蚀性能

1．3．2 铝的防腐现状

1．4 超疏水表面机械琉水耐久性的研究

1．5 研究背景及意义

1．6 研究的主要内容

第2章 实验原理及实验设备

2．1 实验原理

2．1．1 微纳粗糙结构的制备原理

2．1．2 基底表面的改性方法

2．1．3 电化学原理

2．2 实验设备

2．2．1 CHI660E电化学工作站

2．2．2 扫描电子显微镜

2．2．3 傅里叶变换红外光谱仪

2．2．4 X射线衍射仪

2．2．5 接触角测量仪

2．2．6 原子力显微镜

2．2．7 UMT多功能摩擦磨损实验机

第3章 阳极氧化法制备铝基超疏水表面及其耐腐蚀性的研究

3．1 超琉水性阳极氧化铝的制备

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验原理

3．1．3 实验过程

3．1．4 实验表征方法

3．2 表面形貌与表面组织成分分析

3．2．1 SEM分析

3．2．2 AFM分析

3．2．3 EDS分析

3．2．4 FTIR红外分析

3．3 润湿性能分析

3．3．1 静态润湿性

3．3．2 滚动角分析

3．3．3 粘附性分析

3．4 电化学分析

3．4．1 EIS分析

3．4．2 极化曲线分析

3．5 摩擦磨损性能研究

3．6 机械疏水耐久度分析

3．7 磨损后基底的电化学性能分析

3．7．1 EIS分析

3．7．2 极化曲线分析

3．8 小结

第4章 刻蚀法制备铝基超疏水表面及其耐腐蚀性的研究

4．1 实验部分

4．1．1 实验材料

4．1．2 实验表征方法

4．1．3 实验原理

4．1．4 实验步骤

4．2 表面形貌与组织成分分析

4．2．1 表面形貌分析

4．2．2 XRD分析

4．2．3 FTIR分析

4．3 润湿性能分析

4．3．1 静态润湿性

4．3．2 动态润湿性

4．4 电化学分析

4．4．1 EIS分析

4．4．2 极化曲线分析

4．5 摩擦学性能分析

4．6 机械疏水耐久度分析

4．7 磨损后基底的电化学性能分析

4．7．1 EIS分析

4．7．2 极化曲线分析

4．8 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的期刊论文

致谢