铜基表面超疏水微结构的制备与损伤研究
发布时间：2022-01-17 19:41
近年来,来自于自然界的启发,如荷叶的自清洁性能、鲨鱼皮的减阻效果等,许多仿生表面的研究取得了明显的进步,材料的微结构可以改变材料原有的表面性质,其中金属材料在实际工程应用中有极大的价值,对于改变金属表面改性制备受到了越来越多的学者关注,对于金属材料的应用有了更大的拓展,使金属材料有了更加宽广的应用前景。本文通过理论来指导电火花线切割加工铜合金的微结构,经化学腐蚀之后,得到圆台形微结构,并对微结构的润湿性、耐腐蚀性以及摩擦学性能进行表征。研究成果如下:（1）根据实验的观测,发现圆台凹槽上方的液面时弯月面,利用简化模型,可以计算凹槽上方液-气界面的接触面积,进一步根据接触角模型预测公式,得到圆台表面接触角预测模型。根据液滴在圆台表面处于力平衡状态,建立平衡方程,根据临界三相接触线密度和凸台最小高度理论,建立了关于表面的结构参数与Cassie状态形成的影响规律,结合之前的接触角预测模型,建立整体的圆台微结构超疏水的理论设计准则。（2）首先利用电火花线切割的正交实验,确定加工的最佳工艺参数。通过测量线切割直接加工表面的本征接触角θ0和前进接触角θA,...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
生物表面的SEM图：a荷叶，b水黾，c玫瑰花瓣，d鲨鱼皮
5图1.2微纳结构制备方法的SEM：模板刻印法[12]（a），静电纺丝法[15]（b），线切割加工法[21]（c），激光加工法[20]（d），溶胶-凝胶法[23]（e），化学刻蚀法[28]（f）1.4表面微纳结构的性能概述微纳结构的制备方法也是为了得到微纳结构的性能才研究的方法，将自然界生物表面优异的润湿性能稼接到工程应用中，制备相应的微纳结构，使之具有类似的性能，来扩充微纳结构的应用领域。随着研究的深入，针对微纳结构表面的其他的性能研究也越来越丰富，微纳结构表面特殊润湿行为使得表面有疏液性和低粘附性，其在工业上的应用如下：自清洁、防覆冰、医学、滑移减阻、减摩耐磨、重金属检测以及耐腐蚀等性能。在研究自清洁性能上，Li等[33]在铝合金表面用化学刻蚀的方法制备微米级的凸台结构，然后在KMnO4溶液中进行钝化处理3h，刻蚀表面出现大量的纳米级颗粒结构，经氟硅烷修饰可以获得超疏水表面，进一步的自清洁性能测试，水滴滴落在试样表面的水滴会将表面上的灰尘带走，表现出跟荷叶类似的自清洁性能。Toosi等[34]用激光加工的方法在聚四氟乙烯表面加工出粗糙的凹槽结构，可以制得超疏水表面，然后测量其自清洁性能，发现具有良好的自清洁性。现在的高楼大厦的玻璃外层、汽车和飞机的玻璃的灰尘很难清理，对于超疏水表面，只要下雨灰尘会随雨滴一起滚下，保持表面的清洁。在研究防覆冰性能上，Li等[35]在绝缘表面上加入超疏水涂层，使得其表面在低温下也具有较好的防覆冰性能。晏忠钠等[36]将打磨清洗之后的铝板置于硬脂酸的乙醇溶液中浸泡35h，进行改性处理，然后在试样表面滴20μL的水滴置于零下16℃的冰箱，发现试样表面的水滴仍为圆形水滴，具有良好的防覆冰性能。金海云等[37]将打磨清洗的铝导线放入盐酸溶液中?
11第2章超疏水表面圆台微结构的理论设计2.1引言近年来，更多的是通过实验观测超疏水现象并解释机理，缺少微结构的结构参数与接触角之间一个理论模型，而且现有的化学制备方法制备的都是无序、不规则的微结构，无法简化成一个理论模型，本轮采用电火花线切割制备有序的一级结构，在不考虑表面能的前提下，建立表面微结构的静态预测角的预测模型。从力平衡的角度来分析Cassie到Wenzel转变的临界条件，分析液滴在微结构表面的界面力学行为，探究微结构尺寸参数对静态接触角的影响规律，为微结构表面的可控制备提供指导。2.2固体表面的浸润性浸润性又称润湿性，是超疏水性能的一个重要特性，液体对固体表面的润湿是一种界面现象，从宏观的方面来看，润湿就是液体与固体表面接触的过程，从微观方面来看，液体取代了固体表面的气体之后，与固体表面发生分子水平上的接触，固、液之间不存在可被置换相的分子。常见的润湿状态主要有沾湿、浸湿、铺展三种，材料表面的化学组成和微观几何结构是其主要的决定因素，固体表面的静态接触角和滚动角是润湿性的主要表征手段。图2.1三种润湿状态：沾湿（a），浸湿（b），铺展（c）2.2.1静态接触角将液体滴落在固体表面，液滴向固体表面的四周扩展，形成球冠状的液滴，出现沾湿的润湿状态，并形成稳定的固-液-气三相接触边界。在固-液-气三相接触点作球冠状液滴的切线，这个切线与固-液接触面的夹角则为液滴在固体表面的接触角，如图2.2a所示。人们通常都是用接触角来衡量液体对固体表面的润湿程度，它是固-液-气三相界面表面张力达到平衡状态，使得整个系统的总能量趋于最小，因而液滴处于稳态。接触角的大小主要由材料的表面自由能和微观几
【参考文献】：
期刊论文
[1]飞秒激光制备铜微纳结构表面的润湿及抗结冰特性研究[J]. 薛磊,于竞尧,马学胜,刘子源,陶海岩,林景全. 航空制造技术. 2018(12)
[2]阳极氧化法制备铝基超疏水涂层及其稳定性和耐蚀性的研究[J]. 郑顺丽,李澄,项腾飞,胡玮,丁诗炳,王晶,刘盼金. 材料工程. 2017(10)
[3]超疏水铝导线防覆冰机理研究[J]. 金海云,聂诗超,仝程,李志伟,卫世超,高乃奎. 中国电机工程学报. 2017(S1)
[4]超疏水铜表面的制备及其耐腐蚀性能研究[J]. 熊静文,朱继元,胡小芳. 涂料工业. 2017(09)
[5]静电纺丝法制备超疏水氟硅改性纳米SiO2/PET共混膜[J]. 李静,易玲敏,王明乾,周鸿. 高分子材料科学与工程. 2016(12)
[6]溶胶凝胶法铝基超疏水表面的制备及其防覆冰性能[J]. 占彦龙,李文,李宏,阮敏,胡良云,马福民,于占龙,冯伟. 材料保护. 2016(S1)
[7]沟槽与方柱阵列结构的微铣削和加工表面疏水性[J]. 宋昊,刘战强,史振宇,蔡玉奎. 机械工程学报. 2016(21)
[8]铜及铜合金加工材料在国民经济中的应用[J]. 葛丽珍. 科技与创新. 2016(04)
[9]铝基超疏水表面的制备及耐海水腐蚀性能[J]. 张德建,刘长松,张容容,杨亭亭. 中国科技论文. 2016(04)
[10]仿生表面减阻的研究现状与进展[J]. 马付良,曾志翔,高义民,刘二勇,薛群基. 中国表面工程. 2016(01)
硕士论文
[1]金属表面喷涂PMMA/SiO2超疏水涂层及其性能研究[D]. 潘赛.南京理工大学 2017
[2]仿生表面微结构的热防护性能研究[D]. 张文龙.大连理工大学 2013
本文编号：3595325
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
生物表面的SEM图：a荷叶，b水黾，c玫瑰花瓣，d鲨鱼皮
5图1.2微纳结构制备方法的SEM：模板刻印法[12]（a），静电纺丝法[15]（b），线切割加工法[21]（c），激光加工法[20]（d），溶胶-凝胶法[23]（e），化学刻蚀法[28]（f）1.4表面微纳结构的性能概述微纳结构的制备方法也是为了得到微纳结构的性能才研究的方法，将自然界生物表面优异的润湿性能稼接到工程应用中，制备相应的微纳结构，使之具有类似的性能，来扩充微纳结构的应用领域。随着研究的深入，针对微纳结构表面的其他的性能研究也越来越丰富，微纳结构表面特殊润湿行为使得表面有疏液性和低粘附性，其在工业上的应用如下：自清洁、防覆冰、医学、滑移减阻、减摩耐磨、重金属检测以及耐腐蚀等性能。在研究自清洁性能上，Li等[33]在铝合金表面用化学刻蚀的方法制备微米级的凸台结构，然后在KMnO4溶液中进行钝化处理3h，刻蚀表面出现大量的纳米级颗粒结构，经氟硅烷修饰可以获得超疏水表面，进一步的自清洁性能测试，水滴滴落在试样表面的水滴会将表面上的灰尘带走，表现出跟荷叶类似的自清洁性能。Toosi等[34]用激光加工的方法在聚四氟乙烯表面加工出粗糙的凹槽结构，可以制得超疏水表面，然后测量其自清洁性能，发现具有良好的自清洁性。现在的高楼大厦的玻璃外层、汽车和飞机的玻璃的灰尘很难清理，对于超疏水表面，只要下雨灰尘会随雨滴一起滚下，保持表面的清洁。在研究防覆冰性能上，Li等[35]在绝缘表面上加入超疏水涂层，使得其表面在低温下也具有较好的防覆冰性能。晏忠钠等[36]将打磨清洗之后的铝板置于硬脂酸的乙醇溶液中浸泡35h，进行改性处理，然后在试样表面滴20μL的水滴置于零下16℃的冰箱，发现试样表面的水滴仍为圆形水滴，具有良好的防覆冰性能。金海云等[37]将打磨清洗的铝导线放入盐酸溶液中?
11第2章超疏水表面圆台微结构的理论设计2.1引言近年来，更多的是通过实验观测超疏水现象并解释机理，缺少微结构的结构参数与接触角之间一个理论模型，而且现有的化学制备方法制备的都是无序、不规则的微结构，无法简化成一个理论模型，本轮采用电火花线切割制备有序的一级结构，在不考虑表面能的前提下，建立表面微结构的静态预测角的预测模型。从力平衡的角度来分析Cassie到Wenzel转变的临界条件，分析液滴在微结构表面的界面力学行为，探究微结构尺寸参数对静态接触角的影响规律，为微结构表面的可控制备提供指导。2.2固体表面的浸润性浸润性又称润湿性，是超疏水性能的一个重要特性，液体对固体表面的润湿是一种界面现象，从宏观的方面来看，润湿就是液体与固体表面接触的过程，从微观方面来看，液体取代了固体表面的气体之后，与固体表面发生分子水平上的接触，固、液之间不存在可被置换相的分子。常见的润湿状态主要有沾湿、浸湿、铺展三种，材料表面的化学组成和微观几何结构是其主要的决定因素，固体表面的静态接触角和滚动角是润湿性的主要表征手段。图2.1三种润湿状态：沾湿（a），浸湿（b），铺展（c）2.2.1静态接触角将液体滴落在固体表面，液滴向固体表面的四周扩展，形成球冠状的液滴，出现沾湿的润湿状态，并形成稳定的固-液-气三相接触边界。在固-液-气三相接触点作球冠状液滴的切线，这个切线与固-液接触面的夹角则为液滴在固体表面的接触角，如图2.2a所示。人们通常都是用接触角来衡量液体对固体表面的润湿程度，它是固-液-气三相界面表面张力达到平衡状态，使得整个系统的总能量趋于最小，因而液滴处于稳态。接触角的大小主要由材料的表面自由能和微观几
【参考文献】：
期刊论文
[1]飞秒激光制备铜微纳结构表面的润湿及抗结冰特性研究[J]. 薛磊,于竞尧,马学胜,刘子源,陶海岩,林景全. 航空制造技术. 2018(12)
[2]阳极氧化法制备铝基超疏水涂层及其稳定性和耐蚀性的研究[J]. 郑顺丽,李澄,项腾飞,胡玮,丁诗炳,王晶,刘盼金. 材料工程. 2017(10)
[3]超疏水铝导线防覆冰机理研究[J]. 金海云,聂诗超,仝程,李志伟,卫世超,高乃奎. 中国电机工程学报. 2017(S1)
[4]超疏水铜表面的制备及其耐腐蚀性能研究[J]. 熊静文,朱继元,胡小芳. 涂料工业. 2017(09)
[5]静电纺丝法制备超疏水氟硅改性纳米SiO2/PET共混膜[J]. 李静,易玲敏,王明乾,周鸿. 高分子材料科学与工程. 2016(12)
[6]溶胶凝胶法铝基超疏水表面的制备及其防覆冰性能[J]. 占彦龙,李文,李宏,阮敏,胡良云,马福民,于占龙,冯伟. 材料保护. 2016(S1)
[7]沟槽与方柱阵列结构的微铣削和加工表面疏水性[J]. 宋昊,刘战强,史振宇,蔡玉奎. 机械工程学报. 2016(21)
[8]铜及铜合金加工材料在国民经济中的应用[J]. 葛丽珍. 科技与创新. 2016(04)
[9]铝基超疏水表面的制备及耐海水腐蚀性能[J]. 张德建,刘长松,张容容,杨亭亭. 中国科技论文. 2016(04)
[10]仿生表面减阻的研究现状与进展[J]. 马付良,曾志翔,高义民,刘二勇,薛群基. 中国表面工程. 2016(01)
硕士论文
[1]金属表面喷涂PMMA/SiO2超疏水涂层及其性能研究[D]. 潘赛.南京理工大学 2017
[2]仿生表面微结构的热防护性能研究[D]. 张文龙.大连理工大学 2013
本文编号：3595325
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