U型钛管表面纳米管涂层均匀制备与超疏水改性

摘要

随着科技的不断进步，各种材料表面处理技术也得到了长足发展。然而，常规的材料表面处理方法通常针对平面基体或块体材料的外表面；通过改善材料表面属性，可以使其更好地适应服役需求。相比于平面材料开放的加工环境，管道类构件由于内部空间狭小，形状复杂等因素，其表面处理尤为困难。本论文研究了适用于U型钛管内、外表面的电化学阳极氧化工艺，实现了内、外表面超浸润涂层的均匀化制备和功能化应用，为管道构件的表面处理提供了新思路。　　钛及钛合金管道构件具有比强度高、耐蚀性好、无磁性等优点，被广泛应用于海水淡化、海洋装备、集热散热等领域。本课题针对U型钛管内表面处理，建立了同轴阳极氧化法，实现了内表面涂层的均匀制备，并研究了管道减阻性能。采用柔性碳纤维和绝缘珠子作为阴极实现了同轴阳极氧化配置，在U型管内表面制备出均匀的二氧化钛（TiO2）纳米管阵列。在动态循环电解液速度75 mL/min、恒电压20 V、阳极氧化8 h的条件下，实现电场和流体场的补偿作用，制备出均匀的平均长度为5.8 μm的TiO2纳米管涂层。采用该同轴阳极氧化装置，利用电化学刻蚀和阳极氧化，制备出具有超疏水效果的微纳复合结构；经过低表面能处理后，该复合结构展现出157°的静态表观接触角，小于10°的滚动角。相比于原始钛管，制备超疏水涂层的钛管表现出明显的流体降阻效果，初速度为 27.4 mL/min的水流沿U型管反重力转向180°后仍能保持较大动能，并沿管口飞射而出，这在流体传输领域有广阔的应用前景。　　针对U型钛管外表面处理，建立了管套管式同轴阳极氧化法，实现了外表面涂层的均匀制备，并研究了防覆冰性能。采用同轴的不锈钢U型管作为阴极实现了同轴阳极氧化配置。在静态电解液、恒电压20 V、阳极氧化8 h条件下，制备出均匀的平均长度为4.6 μm的TiO2纳米管涂层。采用该同轴阳极氧化装置，通过顺序电化学刻蚀、阳极氧化，在钛管外表面制备微纳复合结构，实现U型钛管外表面超疏水改性。相比于原始钛管，超疏水钛管表面在?10℃ 至?20℃ 温度范围内展示出延迟结霜的性能；且经过融冻循环后，超疏水表面仍然能保持其抗结霜性能，这在低温防冻抗霜领域有重要的应用前景。

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2.1 TiO2纳米管制备方法

1.2.2 阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列

1.2.3 阳极氧化TiO2纳米管生长机理

1.2.4 阳极氧化在管状基体上的研究现状

1.3.1 浸润性理论

1.3.2 超亲水表面的应用

1.3.3 超疏水表面的应用

1.4.1 研究意义

1.4.2 研究内容

2 实验材料及研究方法

2.1.1 实验材料

2.1.2 实验仪器

2.2 材料制备

2.3 材料表征

2.3.1 场发射扫描电镜分析

2.3.2 光学接触角测量仪

3 U型钛管内表面TiO2纳米管的制备及应用

3.1 引言

3.2 实验方法

3.3.1 U型钛管内表面阳极氧化实验装置设计与搭建

3.3.2 阴极配置方式对涂层的影响

3.3.3 U型钛管内表面纳米管涂层均匀性调控

3.3.4 U型钛管内表面涂层超疏水改性

3.3.5 U型钛管内表面超疏水涂层降阻研究

3.4 本章小结

4 U型钛管外表面TiO2纳米管的制备及应用

4.1 引言

4.2 实验方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 U型钛管外表面阳极氧化实验装置设计

4.3.2 U型钛管外表面纳米管涂层制备

4.3.3 U型钛管外表面超疏水改性及低温抗结霜研究

4.4 本章小结

5 结论及展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附录

A. 学位论文数据集

致谢