电刷镀制备铜膜及超疏水性能的研究

发布时间：2017-08-11 13:26

  本文关键词：电刷镀制备铜膜及超疏水性能的研究

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【摘要】：金属材料作为人类生产生活中应用最广泛的工程材料有着不可取代的地位,但金属本身的一些特点也制约了金属材料在某些领域的应用。固体表面的润湿性取决于固体表面粗糙度以及表面自由能,由于金属表面较高的表面自由能使得金属材料具有亲水特性,很容易被液体浸湿进而被腐蚀,因此金属材料在潮湿或水域环境中的应用受到较大的限制。金属材料的表面自由能不容易被改变,如果能够通过控制材料表面微观结构和化学成分而使得金属材料表面疏水甚至是超疏水,这将会拓宽材料的应用领域,也将颠覆金属材料亲水的传统。随着各个独立学科及交叉学科的研究发展,无论是固体表面润湿性能的理论研究,还是制备具有特殊润湿性能固体表面的技术工艺,都有了非常重大的进步并且日臻成熟。“荷叶效应”就是这一研究领域的热门话题之一,落在荷叶表面的水珠同落在其它物体表面不同,水珠会形成规则的可在荷叶表面随意滚动的球形水滴。研究人员发现,产生这一现象的原因在于荷叶表面具有特殊的微观结构以及疏水的蜡质层。根据现有的理论以及技术工艺,人们制备了很多具有特殊润湿性能的材料,尤其是超疏水材料。但是受限于理论以及工艺,疏水材料的制备普遍都涉及到表面化学修饰。就金属材料而言,经化学修饰的金属表面其热稳定性和机械性能不能满足生产应用的要求,在特殊的环境下很容易遭到破坏而导致其表面疏水性能的消失;而且,金属材料良好的导电导热等特性会因为化学修饰层而受到影响。除此之外,另一个重要的研究难题在于如何构建与荷叶表面类似的微观结构,依靠现有的技术工艺很难达到这一要求。综上所述,在不采用任何表面化学修饰的前提下,使金属材料表面具备超疏水性,甚至是各向异性的润湿性能,在理论研究和实际应用方面都将产生深远影响。本文通过改良刷镀技术,采用一步刷镀工艺,通过控制各项刷镀参数,并通过合理配制镀液,在经过预处理的铜箔表面制备出一系列无方向性和有方向性且具有不同结构和形貌的铜膜。采用一系列材料表征手段,如扫描电子显微镜(SEM)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线衍射仪(XRD)和X射线光电子能谱仪(XPS),分别对制备的铜膜样品进行了表面形貌、晶体结构和化学成分的分析;而且对铜膜样品表面的润湿性能进行测试,探究了铜膜样品表面结构对其润湿性能的影响以及样品表面是否具有方向性对各向异性润湿性能的影响。主要研究结果如下:1.通过改良刷镀技术,控制刷镀参数尤其是刷镀电压(2.0~4.0V),并合理配制镀液,采用一步刷镀工艺,在经过预处理的铜箔表面构建了类似荷叶表面的微观结构-三级分级结构,即一级的纳米晶粒结构,二级的亚微米凸起结构和三级的微米乳突结构,而这三个级别的结构按照由大到小的顺序依次叠加。其中刷镀电压的改变影响第三级结构-微米级的乳突结构,而不影响其它两级结构。2.通过对铜箔表面预处理进行方向性的构造,然后采用改进的一步电刷镀技术进行刷镀制备出带有方向性的铜膜,其表面的微观结构也具有明显的结构分级现象,且第三级的微米乳突结构呈有序排列,并对平行及垂直方向分别进行接触角测量,发现方向性铜膜样品表面的润湿性具有各向异性。3.根据润湿理论,并通过理论推导及实验观察研究了铜膜样品表面特殊润湿性能,发现只依靠表面结构构建制备出的铜膜表面具有良好的超疏水效果,接触角可达151°。
【关键词】：电刷镀 超疏水 分级结构 各向异性
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ153.14
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-30
• 1.1 引言12-13
• 1.2 超疏水表面制备的理论基础13-18
• 1.2.1 润湿行为研究的相关定义13-15
• 1.2.2 润湿相关的三大理论15-17
• 1.2.3 Cassie润湿状态的稳定性17-18
• 1.2.4 表面张力和表面自由能18
• 1.3 制备具有超疏水性表面的方法18-23
• 1.3.1 化学沉积法19
• 1.3.2 光刻法19-20
• 1.3.3 模板印刷法20-21
• 1.3.4 溶胶-凝胶法21
• 1.3.5 电纺丝法21-22
• 1.3.6 蒸汽诱导相分离法22
• 1.3.7 腐蚀法22
• 1.3.8 其他方法22-23
• 1.4 电刷镀技术23-25
• 1.4.1 电刷镀基本原理23-24
• 1.4.2 电刷镀工艺过程24
• 1.4.3 结晶生长机理24-25
• 1.5 具有超疏水性表面的应用25-28
• 1.5.1 防冰雪粘附26
• 1.5.2 流体减阻26
• 1.5.3 生物医学领域26
• 1.5.4 织物上的应用26-27
• 1.5.5 金属防腐27
• 1.5.6 光学领域27-28
• 1.5.7 电池中的应用28
• 1.6 选题意义及研究内容28-30
• 第2章 具有超疏水性的铜膜制备与表征30-38
• 2.1 引言30
• 2.2 粗糙结构表面的制备30-35
• 2.2.1 实验基材与药品30-31
• 2.2.2 样品制备实验平台31-32
• 2.2.3 样品制备实验过程32-35
• 2.2.3.1 配制镀液过程32-34
• 2.2.3.2 铜箔预处理34
• 2.2.3.3 刷镀工艺流程34-35
• 2.3 实验表征35-38
• 2.3.1 表面微观形貌分析35
• 2.3.2 样品晶体结构分析35-36
• 2.3.3 样品组成分析36
• 2.3.4 静态与动态润湿性能分析36
• 2.3.5 样品表面水滴形态测试36-38
• 第3章 无方向性铜膜样品的制备及表面润湿性能的研究38-52
• 3.1 引言38-39
• 3.2 无方向性铜膜的制备39
• 3.3 无方向性铜膜样品表征分析39-50
• 3.3.1 微观形貌分析39-42
• 3.3.2 成分分析42-44
• 3.3.3 润湿行为分析44-50
• 3.3.3.1 润湿机制44-46
• 3.3.3.2 润湿行为分析46-50
• 3.4 本章小结50-52
• 第4章 有方向性铜膜样品的制备及表面润湿性能的研究52-64
• 4.1 引言52-53
• 4.2 有方向性铜膜样品的制备53
• 4.3 有方向性铜膜样品表征分析53-61
• 4.3.1 微观形貌分析53-57
• 4.3.2 成分分析57-59
• 4.3.3 润湿性能分析59-61
• 4.3.3.1 超疏水性59-61
• 4.3.3.2 各向异性61
• 4.4 本章小结61-64
• 第5章 结论64-66
• 参考文献66-77
• 致谢77

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本文编号：656388