不锈钢表面仿生结构的构建及疏水性研究

发布时间：2017-07-19 22:23

  本文关键词：不锈钢表面仿生结构的构建及疏水性研究

  更多相关文章： 不锈钢 仿生 激光加工 化学刻蚀 电沉积 化学气相沉积 润湿性能

【摘要】：不锈钢作为一种常见的金属材料,由于其卓越的力学性能、耐低温、耐蚀性、耐磨性和工艺性能等优点,已广泛应用在各个行业,包括汽车、建筑、船舶、航空工业和医疗器械等。然而,随着工业现代化的发展,人们对于材料的使用性能和工艺性能要求的不断提高,传统的不锈钢材料已经不能满足要求,对不锈钢进行表面改性处理渐渐成为研究热点。受到具有特殊润湿性能生物表面结构(如荷叶、玫瑰花瓣)的启发,我们运用化学刻蚀技术、电沉积技术和激光加工技术,在304不锈钢基体上成功制备出具有一定粗糙结构的表面,特别是将石墨烯薄膜应用于仿生不锈钢材料表面,进行不锈钢表面疏水方面的改性处理,是一种新的尝试,拓展了具有仿生结构的不锈钢材料和石墨烯在疏水方面的应用范围。通过一种简单、快速和低成本的化学刻蚀过程,在不锈钢基底上成功制备出仿生结构,然后经过低表面能物质DTS(CH3(CH2)11Si(OCH3)3)浸泡处理后,不锈钢表面获得超疏水特性。当刻蚀剂浓度三氯化铁(Fe Cl3,2mol/L),盐酸(HCl,37%)和双氧水(H2O2,30%),体积比(Fe Cl3+HCl+H2O2(15:1:1 vol%))时,不锈钢表面获得水的静态接触角达到158°。化学刻蚀剂的浓度对不锈钢表面的微纳米级结构的形成和表面润湿性有着重要作用,刻蚀时间对不锈钢表面的润湿性能影响相对较小。在冷表面上对普通不锈钢和超疏水不锈钢表面结霜过程进行显微观察,包括液滴凝结时间、霜晶生长位置等。结果表明具有超疏水性的不锈钢表面能够明显延长水滴凝结所需要的时间。受到玫瑰花瓣表面结构的启发,在不锈钢上用激光加工法成功制备出仿玫瑰花瓣的周期性微柱结构,并以此为基体成功转移上单层石墨烯薄膜,实现不锈钢表面由超亲水状态到疏水状态的转变,获得表面接触角为128°。通过多次试验分析,对比试验参数如扫描形状、激光功率、扫描间隔、激光线宽和热影响区域对表面形貌的影响。在不锈钢表面上,当激光扫描出的微柱直径为80μm,微柱的中心间距为100μm;激光器参数为:频率20k Hz,扫描速度500mm/s,功率50%的情况下,采用激光加工技术在不锈钢表面制备出仿玫瑰花瓣的周期性微柱结构,并对制备表面进行润湿性、微观结构、化学组成等方面进行分析。通过电沉积镀镍法成功在不锈钢表面生长出三维石墨烯结构,获得疏水性表面,表面接触角高达152°。先以不锈钢作为基体材料,通过电沉积法形成一层薄薄的镍膜作为中间镀层,再以其为催化剂,采用化学气相沉积法制备出具有超疏水特性的仿生石墨烯薄膜,并分别对镀镍不锈钢表面和仿生石墨烯薄膜的微观形貌和润湿性能进行分析。综合考虑在不锈钢镀镍过程中,电解质浓度、沉积时间和电流密度对不锈钢表面形貌和结构的影响。当电解质溶液由氯化镍(浓度250g/L)、硼酸(浓度60 g/L)和十二烷基磺酸钠(浓度0.15g/L)组成,电流密度为5A/dm2,在45℃下电镀5min,最终在不锈钢表面上成功沉积出具有雪花状微纳米结构的镍层。利用电沉积法在不锈钢表面电镀一层镍膜作为生长石墨烯的催化剂,并通过CVD技术在不锈钢表面成功生长出石墨烯。采用扫描电镜对不锈钢基体上的镍膜和其表面生长的石墨烯形貌进行观察分析,通过拉曼光谱对化学气相沉积法生长的石墨烯质量、层数进行表征,并测量其疏水性能。
【关键词】：不锈钢 仿生 激光加工 化学刻蚀 电沉积 化学气相沉积 润湿性能
【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】：TG178
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-29
• 1.1 选题背景与意义11-12
• 1.2 仿生表面制备方法12-18
• 1.2.1 化学刻蚀法13-14
• 1.2.2 电化学沉积法14-16
• 1.2.3 溶胶凝胶法16-17
• 1.2.4 激光加工法17-18
• 1.3 仿生石墨烯结构材料的研究现状18-23
• 1.4 仿生疏水表面的拓展应用23-28
• 1.4.1 抑霜防冻23-25
• 1.4.2 油水分离25-27
• 1.4.3 腐蚀防护27-28
• 1.5 主要研究内容28-29
• 第2章 制备方案与表征方法29-39
• 2.1 试验材料29
• 2.2 试验试剂29
• 2.3 制备方案29-34
• 2.3.1 不锈钢前期处理工艺29-30
• 2.3.2 化学刻蚀法制备不锈钢基超疏水表面30
• 2.3.3 激光加工法在不锈钢上制备石墨烯仿生结构30-33
• 2.3.4 电沉积镀镍法在不锈钢生长石墨烯33-34
• 2.4 表征方法34-36
• 2.4.1 表面微观形貌观察34-35
• 2.4.2 表面润湿性表征35
• 2.4.3 表面成分分析35-36
• 2.5 本章小结36-39
• 第3章 化学刻蚀法制备不锈钢超疏水表面39-49
• 3.1 超疏水表面的制备方法39
• 3.1.1 化学刻蚀39
• 3.1.2 表面修饰处理39
• 3.2 超疏水不锈钢表面的微观形貌39-41
• 3.3 超疏水表面的成分表征41-43
• 3.3.1 超疏水表面化学成分分析41-42
• 3.3.2 超疏水表面的涂层形成机理42-43
• 3.4 超疏水表面的疏水性能43-44
• 3.5 超疏水表面的防霜性能44-47
• 3.5.1 试验装置44
• 3.5.2 试验步骤44-45
• 3.5.3 抑霜性能研究45-47
• 3.6 本章小结47-49
• 第4章 激光加工法在不锈钢表面制备仿生石墨烯结构49-59
• 4.1 实验过程49-53
• 4.1.1 周期性微柱结构的制备49
• 4.1.2 铜箔衬底预处理49-50
• 4.1.3 CVD石墨烯生长机理及过程50-51
• 4.1.4 单层石墨烯转移过程51-53
• 4.2 仿生石墨烯结构的形貌分析53-55
• 4.3 仿生石墨烯结构的疏水性能55-56
• 4.5 本章小结56-59
• 第5章 电沉积法在不锈钢表面生长仿生石墨烯结构59-67
• 5.1 钢基三维石墨烯结构的制备59-61
• 5.1.1 电沉积过程59-60
• 5.1.2 石墨烯生长过程60-61
• 5.2 仿生石墨烯结构的微观形貌61-63
• 5.3 石墨烯的成分表征63-64
• 5.4 仿生石墨烯的疏水性能64
• 5.6 本章小结64-67
• 第6章 结论67-69
• 参考文献69-77
• 导师简介77-79
• 作者简介79-81
• 致谢81

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10 ;不锈钢表面硬化及黑化技术[A];广东省材料研究学会部分单位会员成果汇编[C];2005年

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