铜基仿生微结构多功能表面的制备及性能

发布时间：2017-10-27 10:40

  本文关键词：铜基仿生微结构多功能表面的制备及性能

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【摘要】：铜合金具有优异的导电、导热及机械性能，因此在人类生活及工业中具有极为广泛的应用，遍及电气、建筑、机械制造及交通等多个领域。作为自然界中普遍存在的现象，固体表面的润湿行为是表面化学研究中极为关键的一部分。许多生物材料除了超疏水性能之外，还具有自清洁、防污、减阻、防霜冻、耐腐蚀等特性，从而有着极为广阔的应用与发展前景。基于自然界生物的优异特性，在铜基体上制备具有超疏水性的多功能表面具有重要的科学意义与工业价值，并将极大增加铜基材的应用范围。因此，本文选取紫铜合金为基底，分别采用电沉积技术与飞秒激光加工技术成功制备出铜合金超疏水表面，观察制备表面的微观形貌，系统分析其润湿性、耐腐蚀性、结构色等特性，并揭示了功能、结构、材料间的作用机理。 采用电沉积技术制备了具有粘附性可调控的功能表面。基于自清洁荷叶和高粘附玫瑰花瓣独特的超疏水性能，以及生物表面微观结构的研究，以铜合金为基底，采用电沉积技术，选用0.038mol/L氯化铈与0.1mol/L十四烷酸的150mL乙醇溶液作为电解液，通过控制电沉积时间与电压大小，获得具有微纳双层分级结构的典型超疏水生物表面特征的薄膜，呈现出粘附性可控的超疏水特性。高粘附超疏水表面的最大接触角为155.1°，滚动角小于2°；自清洁表面上的接触角达到160.9°，迟滞角小于3°，并基于Wenzel模型和Cassie模型对制备表面的润湿性展开分析。对动极化曲线及电化学阻抗谱的实验结果进行分析，发现相比较纯铜基底，所制备的超疏水表面具有较高的腐蚀抑制特性。使用pH范围为1-14的溶液来测试表面稳定性，，结果显示所制备表面的静态接触角数值并未因pH值的变化发生较大变动。此外，水下浸泡测试也显示出表面润湿状态为稳定的Cassie状态。 运用飞秒激光加工技术制备了具有各向异性润湿性和彩虹色的结构表面。选用具有各向异性润湿性、色彩斑斓的蝴蝶翅膀为仿生依据，采用紫铜板为试验材料，使用飞秒激光加工技术进行仿生结构的设计及制备，通过改变实验加工参数，在铜基底上形成周期性的典型激光诱导的微纳米尺度双层分级结构，不仅基底疏水性得到改善，同时呈现出一定的结构色效应。当激光扫描功率比较小，或扫描速度较快，或是扫描间距略宽时，就会在铜基底上形成典型的飞秒激光诱导的周期性结构，同时覆盖有一定量的微纳米颗粒，这种特殊结构使得制备表面颜色呈现出多彩的颜色变化。分析润湿性测试结果可发现，未经任何修饰，制备表面接触角就已高达151.3°，达到超疏水状态。随着激光加工功率的增加，表面不同方向上均具有较高的疏水性，仅呈现出微弱的各向异性润湿。分析表面微观形貌、润湿性能及光学性能可发现，随着加工参数的变化，表面微观结构具有明显的变化，而且这也是引起表面结构色及各向异性润湿性的主要因素。
【关键词】：铜合金 仿生 多功能 超疏水
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 选题背景与意义10-11
• 1.2 润湿模型分析11-13
• 1.2.1 Young氏方程11
• 1.2.2 Wenzel模型11-12
• 1.2.3 Cassie-Baxter模型12-13
• 1.3 仿生超疏水表面研究现状13-23
• 1.3.1 受荷叶启发的自清洁表面14-15
• 1.3.2 受玫瑰花瓣启发的高粘附表面15-16
• 1.3.3 受水稻叶启发的各向异性表面16-17
• 1.3.4 受蝴蝶翅膀启发的结构色表面17-19
• 1.3.5 铜基体仿生多功能超疏水表面制备现状19-23
• 1.4 研究思路及内容23-24
• 第2章 样品制备与表征24-34
• 2.1 试验材料与试剂24
• 2.2 制样方案24-27
• 2.2.1 电沉积法25-27
• 2.2.2 飞秒激光加工技术27
• 2.3 样品表征27-32
• 2.3.1 表面形貌分析27-28
• 2.3.2 化学成分分析28-29
• 2.3.3 润湿性能分析29-30
• 2.3.4 耐腐蚀性分析30-31
• 2.3.5 化学稳定性测试31
• 2.3.6 表面结构色分析31-32
• 2.4 本章小结32-34
• 第3章 电沉积法制备粘附性可控的超疏水表面34-52
• 3.1 超疏水表面的微观形貌34-36
• 3.1.1 电沉积时间对表面形貌的影响34-35
• 3.1.2 电压对表面形貌的影响35-36
• 3.2 超疏水表面的成分表征36-39
• 3.2.1 FTIR分析36-37
• 3.2.2 XPS分析37-39
• 3.3 超疏水表面的润湿性39-44
• 3.3.1 电沉积时间对润湿性的影响39-40
• 3.3.2 电压变化对润湿性的影响40-41
• 3.3.3 水滴运动状态41-42
• 3.3.4 疏水机理分析42-44
• 3.4 超疏水表面的耐蚀性分析44-49
• 3.4.1 动极化曲线分析44-46
• 3.4.2 电化学阻抗谱分析46-49
• 3.4.3 腐蚀机制分析49
• 3.5 表面稳定性分析49-50
• 3.6 本章小结50-52
• 第4章 飞秒激光加工制备具有结构色的超疏水表面52-64
• 4.1 微观形貌分析52-57
• 4.1.1 扫描功率对表面形貌的影响52-55
• 4.1.2 扫描间隔对表面形貌的影响55-56
• 4.1.3 扫描速度对表面形貌的影响56-57
• 4.2 表面结构色分析57-61
• 4.2.1 表面光学图像57-59
• 4.2.2 反射光谱59-61
• 4.3 润湿性分析61-63
• 4.4 本章小结63-64
• 第5章 结论与展望64-66
• 5.1 结论64-65
• 5.2 展望65-66
• 参考文献66-76
• 导师简介76-78
• 作者简介78-80
• 致谢80

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 陈志,耿兴国;不粘薄膜的微/纳米结构及其机理研究[J];材料保护;2005年07期

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本文编号：1103165