工程金属材料极端润湿性表面制备及应用研究

发布时间：2017-03-10 16:24

  本文关键词：工程金属材料极端润湿性表面制备及应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

《大连理工大学》 2015年

工程金属材料极端润湿性表面制备及应用研究

宋金龙  

【摘要】：极端润湿性表面是指与液体的接触角小于10°或大于150°的表面,它作为一种功能表面,在军事、通讯、石油开采等场合具有重要的应用价值。然而,迄今人们对表面微观结构影响表面润湿性的规律及其机制的了解仍非常有限,对极端润湿性表面制备方法的研究还处于探索阶段,且现有制备方法在安全、环保、效率等方面还存在诸多问题,亟需研制适合产业化的工程金属材料表面微观结构及极端润湿性表面的制备方法。论文在分析润湿性相关理论及工程金属材料极端润湿性表面研究现状的基础上,利用化学沉积、化学溶解、电化学阳极溶解、电化学阳极氧化等特种加工技术,进行了一系列在工程金属材料上构建并调控微／纳米微观结构基底的理论和试验研究,观察并总结了不同特种加工方法下表面微观结构的演变规律,结合多种低表面能修饰技术,制备出极端润湿性表面。基于所制备的极端润湿性表面,研究并揭示了其在抗结冰结霜和油水分离方面的作用机理和规律,为极端润湿性表面在飞机某些关键部件抗冰霜和大面积海上溢油回收方面的应用提供理论和技术基础。主要研究工作及结果如下： (1)研究采用含Cu2+和Cl-溶液的化学沉积和化学溶解法在铝和不锈钢材料上制备极端润湿性表面。基于电极电势较低金属可从电极电势较高金属的盐溶液中置换出后者的理论,研究了铝和不锈钢材料的表面微观结构、化学成分及润湿性随含Cu2+和Cl-溶液浸泡时间变化的演变规律。结果表明,经化学沉积后,铝表面生成微米级颗粒和亚微米级树枝及纳米级枝晶状结构,不锈钢表面生成微纳米级叶状结构,均显示超亲水性,再经低表面能材料修饰后,均转变为超疏水性,与水的接触角不小于160°,滚动角小于10°；化学沉积后的铝表面经超声波清洗可去除沉积铜,表面被化学溶解形成不规则的微纳米级长方形凹坑和凸台状结构,显示超亲水性；经氟硅烷修饰后,转变为超疏水性。此方法制备效率高、对设备要求低,适用于小型复杂形状金属材料极端润湿性表面的制备。 (2)研究采用中性盐溶液为电解液的电化学阳极溶解法在铝、镁合金、铜材料上制备极端润湿性表面。基于阳极金属发生不均匀电化学溶解等理论,研究了基底材料类型、电解液成分对表面微观结构和润湿性的影响规律,探明了特殊表面微观几何形貌的形成原因。在此基础上,设计了可加工大面积金属材料极端润湿性表面的方法和试验装置,研究了极间间隙对表面宏观形貌和润湿性的影响规律。结果显示,借助外加电场下铝晶界／位错优先阳极溶解及晶粒脱落的性质,通过采用氯化钠电解液及氯酸钠电解液的电化学阳极溶解法在铝材料表面构造出微米级长方形凹坑和凸台状结构；借助外加电场下镁合金a相优先阳极溶解效应、阳极表面析氢负差效应及未溶解凸起结构易脱落的性质,通过采用氯化钠电解液的电化学阳极溶解法在镁合金材料表面构造出微米级凹坑、凸起及纳米级乳突状结构；借助外加电场下铜易在含CI-溶液中钝化的性质,通过采用氯化钠电解液的电化学阳极溶解法在铜材料表面构造出亚微米级土豆和纳米级颗粒状结构。所获得的具有微／纳米微观结构的铝和镁合金表面显示超亲水性,铜表面显示亲水性；经氟硅烷修饰后,均转变为超疏水性,与水的接触角大于164°,滚动角小于10°。此方法制备效率高、对环境和操作人员的危害小,适用于大面积平面状金属材料极端润湿性表面的制备。 (3)研究采用磷酸三钠水溶液为电解液的电化学阳极氧化法在铝材料上制备极端润湿性表面。基于外加电场作用下铝易在碱性溶液中发生阳极氧化等理论,研究了铝材料表面微观结构、润湿性、显微硬度等在不同阳极氧化时间下的变化规律。结果表明,在电化学阳极氧化过程中,铝表面先生成多孔蜂窝状结构,后转变为纳米丛状结构,且均显示超亲水性；经氟硅烷修饰后,转变为超疏水性,与水的接触角约为168°,滚动角仅为1°。此方法所得表面的粗糙度较低(Ra0.409μm)、硬度较高(约为普通铝表面的11.6倍),能显著提高表面的机械性能。 (4)研究电化学阳极溶解技术结合沸水或银氨溶液浸泡技术在铝材料上制备超疏油极端润湿性表面。在氯化钠电解液电化学阳极溶解法获得微米级微观结构基底的基础上,通过沸水或银氨溶液浸泡技术构造纳米级结构,研究了浸泡时间及表面微／纳米结构对不同表面张力液体润湿性的影响规律：利用凹角结构理论,解释了表面获得超疏油性的相关机理。结果显示,经电化学阳极溶解和沸水或银氨溶液浸泡后,铝表面生成微米级长方形凹坑和凸台状结构及纳米级针状或纳米级颗粒状结构,纳米级结构使非凹角的微米级结构转变为超疏油性所需的凹角结构,经全氟辛酸修饰后,显示超疏油性,其中沸水浸泡所得表面与十六烷(表面张力仅为27.5mN/m)的接触角达157.7°。本方法所得表面具有超疏油性,可有效防止表面被油污染。 (5)针对制备出的铝材料超疏水表面,在自行研制的制冷试验装置上,对比研究了超疏水表面和普通表面上冷凝水珠的出现时间、增长速度及冻结时间的差异和规律,分析了超疏水表面抗结冰结霜的相关机理。结果显示,超疏水表面上的大接触角增加了表面生成液相的热力学势垒,降低了液核活化率,延长了液滴的降温时间,延迟了冷凝水珠的出现时间和冻结时间,减缓了其增长速度,证明超疏水表面具有显著的抗结冰结霜特性。 (6)基于制备出的不锈钢网极端润湿性表面,研究了传统的倾倒式重力驱动法能成功分离轻油-水混合物和重油-水混合物的条件和机理。结果发现,被水预先润湿的超亲水网能分离轻油-水混合物,被油预先润湿的超亲水网和干的超疏水网能分离重油-水混合物。 (7)为克服现有极端润湿性表面油水分离法的缺点,基于新研制出的超疏水不锈钢网,发明了一种表面张力-重力双驱动油水分离方法与装置,研究了该方法和装置对典型浮油的收集效率、收集速度及污染物对分离效果的影响。结果证明,表面张力-重力双驱动油水分离装置能在仅依靠表面张力和重力的作用下实现对多种典型浮油的收集,效率达94%以上。该方法具有无需挤压、无需预先收集油水混合物、使用寿命长等优点,有望应用于大面积海面浮油的原位、持续收集。

【关键词】：
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG178
【目录】：

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本文编号：250235