镁合金基体上超疏水表面的制备及功能特性研究

发布时间：2017-03-17 17:02

  本文关键词：镁合金基体上超疏水表面的制备及功能特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：镁合金作为最轻的金属结构材料,具有高比强度、高导热率、良好的机加工性能和回收利用性等优点,被认为是21世纪最具发展潜力的绿色工程材料。由于其在汽车、航天航空、电子工业、生物医用材料等领域具有巨大的应用前景,镁合金受到越来越广泛地关注。然而,镁合金的化学性质非常活泼,其在水溶液或潮湿的大气中很容易被氧化和腐蚀,这严重制约了它的广泛应用。因此,提高镁合金的耐腐蚀性能对于扩大其应用具有重要意义,在众多提高镁合金耐腐蚀性能的方法中,表面处理是一种简单、高效、低成本且易于实施的方法。超疏水表面由于具有抗腐蚀、自清洁、抗结冰、油水分离、微流体运输等特殊的功能,已经在基础研究和工业应用领域引起了大量的关注。超疏水表面能够有效地阻碍基体表面被润湿,避免基体与腐蚀介质直接接触,从而阻碍腐蚀在基体表面发生。因而,在镁合金上制备超疏水表面能够有效提高其耐腐蚀性能,解决镁合金易被腐蚀的问题,而且超疏水表面所具有的其他特殊功能也有利于进一步扩大镁合金的应用范围。本论文采用操作简便、工艺周期短的制备方法和绿色、低成本的低表面能物质,成功地在镁合金基体上制备出三种不同组成且性能良好的超疏水表面,同时对其表面组成、结构和润湿性进行表征,并研究了所制备表面的耐腐蚀性、自清洁功能、化学稳定性和机械稳定性等性能。利用这些方法在镁合金上制备超疏水表面能够有效改善镁合金性能并扩展其应用领域。(1)利用化学镀镍、电沉积钴和硬脂酸修饰结合成功在AZ31镁合金上制备了耐磨耐腐蚀的自清洁超疏水表面。通过控制电沉积电流密度可以调控电沉积镀层表面形貌,进而实现高粘超疏水表面和低粘超疏水表面的制备。高粘超疏水表面为颗粒状结构,接触角为152.9°,试样倒置180°水滴不滑落;低粘超疏水表面为叶片状和绒毛状结构,接触角为156.2°,滚动角约为1°。在3.5 wt.%Na Cl溶液中极化测试表明,低粘超疏水表面相对镁合金基体自腐蚀电位提高了1079 m V,腐蚀电流密度为2.08×10-7 A/cm2,降低了2个数量级;且电化学阻抗谱测试表明,低粘超疏水表面的模值提高了超过2个数量级,说明超疏水表面能有效提高镁合金的耐腐蚀性能。表面刮擦实验表明,在刮擦900mm后,表面仍保持超疏水性;刮擦1100 mm后,表面仍能保持良好的耐腐蚀性能,表明低粘超疏水表面具有良好的机械稳定性。此外,超疏水表面还具有自清洁功能和优良的化学稳定性。(2)采用化学镀镍和电沉积结合在AZ31镁合金表面成功地制得一种高度抗腐蚀、耐磨性能优良的自清洁超疏水表面,接触角高达158.6°,滚动角为1°。在3.5 wt.%Na Cl溶液中极化和阻抗测试表明,超疏水表面相对镁合金基体自腐蚀电位提高了1120 m V,腐蚀电流密为1.12×10-9 A/cm2,下降了超过4个数量级;超疏水表面的模值比AZ31基体提高了4个数量级,阻值约为基体的3.3万倍,所制得的超疏水表面可以大幅度提高镁合金的耐腐蚀性能;此外,我们还提出了超疏水表面在腐蚀介质中的接触模型以及抗腐蚀机理。耐刮擦实验表明,在刮擦500 mm后,超疏水表面的接触角仍高于150°,显示出良好的机械稳定性。同时,超疏水表面还具备自清洁作用和良好的化学稳定性。(3)利用一步电沉积法在镁合金上快速制备得到具有微纳分级粗糙结构的超疏水表面。通过表面组成测试和形貌观察分析了镁合金表面超疏水性的形成原因和电沉积过程。在一步电沉积过程中,表面在构造微纳粗糙结构的同时又结合了低表面能物质,简化了普通制备方法的复杂多步过程,而且缩短了制备时间,获得超疏水表面最短仅需1min。最佳的电沉积工艺参数为电沉积电压30 V,电沉积时间10 min,所制备的超疏水表面为凸胞状结构,其接触角为158.4°,滚动角为2°。超疏水表面在3.5 wt.%Na Cl溶液中极化和阻抗测试表明,超疏水表面明显提高了镁合金耐腐蚀性能。此外,超疏水表面具有优良的自清洁功能和化学稳定性。这种简便、高效、低成本又环保的制备方法可以为大规模制备具有自清洁功能的高耐腐蚀超疏水表面提供有效方法和思路并可以扩展到其他导电金属基体。
【关键词】：镁合金 超疏水 电沉积 耐腐蚀性能 机械稳定性
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-41
• 1.1 镁及镁合金概述13-18
• 1.1.1 镁合金的特点13
• 1.1.2 镁合金的应用13-15
• 1.1.3 镁合金的腐蚀行为15-17
• 1.1.4 镁合金的腐蚀防护现状17-18
• 1.2 超疏水表面简述18-37
• 1.2.1 表面润湿性与超疏水表面定义18-20
• 1.2.2 自然界中的超疏水现象20-22
• 1.2.3 超疏水表面基础理论22-26
• 1.2.4 超疏水表面制备方法26-33
• 1.2.5 超疏水表面特性及应用前景33-37
• 1.3 镁合金上超疏水表面的研究现状37-38
• 1.4 本课题研究目的、意义和内容38-40
• 1.4.1 本课题的研究目的和意义38-39
• 1.4.2 本课题的研究内容39-40
• 1.5 本课题来源40-41
• 第二章 实验材料、仪器、测试方法及技术路线41-45
• 2.1 实验材料41-42
• 2.1.1 基体材料41
• 2.1.2 化学试剂41-42
• 2.2 实验仪器42-43
• 2.3 测试方法43-44
• 2.3.1 接触角/滚动角测试43
• 2.3.2 微观形貌观察43
• 2.3.3 成分分析43
• 2.3.4 电化学测试43-44
• 2.4 实验技术路线44-45
• 第三章 耐腐蚀自清洁超疏水表面的制备及机械稳定性研究45-76
• 3.1 前言45-46
• 3.2 实验46-49
• 3.2.1 材料46-47
• 3.2.2 镁合金前处理47
• 3.2.3 化学镀镍47
• 3.2.4 电沉积钴47-48
• 3.2.5 低表面能物质修饰48
• 3.2.6 检测与表征48-49
• 3.3 结果与讨论49-74
• 3.3.1 前处理对镁合金表面形貌的影响49-52
• 3.3.2 电沉积电流密度对表面形貌和润湿性的影响52-54
• 3.3.3 高粘超疏水表面的特征和性能54-59
• 3.3.4 低粘超疏水表面的特征和性能59-70
• 3.3.5 低粘超疏水表面的稳定性70-74
• 3.4 本章小结74-76
• 第四章 化学镀镍与电沉积复合制备高耐腐蚀超疏水表面的研究76-96
• 4.1 前言76-77
• 4.2 实验77-79
• 4.2.1 材料77
• 4.2.2 镁合金前处理77-78
• 4.2.3 化学镀镍78-79
• 4.2.4 电沉积79
• 4.2.5 检测与表征79
• 4.3 结果与讨论79-94
• 4.3.1 表面形貌79-80
• 4.3.2 表面润湿行为80-82
• 4.3.3 化学组成82-84
• 4.3.4 电沉积时间对表面形貌和润湿性的影响84-87
• 4.3.5 耐腐蚀性能87-90
• 4.3.6 自清洁行为90-91
• 4.3.7 化学稳定性91-92
• 4.3.8 机械稳定性92-94
• 4.4 本章小结94-96
• 第五章 一步电沉积法快速制备超疏水表面的研究96-116
• 5.1 前言96-97
• 5.2 实验97-98
• 5.2.1 材料及制备步骤97-98
• 5.2.2 检测与表征98
• 5.3 结果与讨论98-114
• 5.3.1 电沉积电压对表面形貌和润湿性的影响98-100
• 5.3.2 电沉积时间对试样表面形貌和润湿性的影响100-102
• 5.3.3 超疏水表面的特征和性能102-114
• 5.4 本章小结114-116
• 结论116-120
• 参考文献120-130
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果130-132
• 致谢132-133
• 附件133

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 沈骏;龚福宝;张涛;游国强;何培培;;镁合金表面防腐研究的前沿进展[J];功能材料;2014年17期

2 陈俊;王振辉;王玮;毅男;张旺;尚文;张荻;邓涛;;超疏水表面材料的制备与应用[J];中国材料进展;2013年07期

3 徐文华;张丽东;赵利;陈寿花;王丽;刘伟良;;耐久性超疏水表面研究进展[J];化工进展;2012年10期

4 侯文婷;康志新;;Mg-Li合金表面浅绿色超疏水复合膜层的制备及耐蚀性能研究[J];中国腐蚀与防护学报;2012年04期

5 王波;李名尧;吴华春;;镁合金成形技术的研究及应用趋势[J];铸造技术;2011年11期

6 李凌杰;李芳君;雷惊雷;何建新;张胜涛;潘复生;;合金元素对镁合金耐腐蚀性能影响的研究进展[J];材料导报;2011年19期

7 康志新;赖晓明;王芬;龙雁;李元元;;Mg-Mn-Ce镁合金表面超疏水复合膜层的制备及耐腐蚀性能[J];中国有色金属学报;2011年02期

8 陈军;;镁合金在汽车工业中的应用分析[J];材料研究与应用;2010年02期

9 刘克松;江雷;;仿生结构及其功能材料研究进展[J];科学通报;2009年18期

10 张玉海;;镁合金表面处理技术的研究进展[J];材料保护;2008年03期

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本文编号：253158