铜基超疏水表面的制备及性能研究
本文关键词：铜基超疏水表面的制备及性能研究
【摘要】：铜及铜合金材料具有质轻、可机加工性、导电性导热性延展性等优异性能,从而被广泛应用于电子等工业领域和日常生活中,是与人类关系非常密切的有色金属。但是在高湿低温等复杂严苛的环境下,铜及其合金极易发生腐蚀和结霜结冰现象,这对电子器件与设备的安全稳定运行造成威胁。于是,对铜及其合金在耐腐蚀、防霜防冰等性能方面的要求也更加迫切。针对表面的这些性能缺陷,对铜及其合金进行表面处理是一种最常见的保护措施。近年来,铜材表面的超疏水化处理是一个研究热点,大量研究发现,超疏水表面由于其强大的疏水特性使得水分子难以渗入超疏水表面内部,由此提高了其耐腐蚀、防覆冰及自清洁等性能。本论文旨在建立简单经济的方法来构建铜基超疏水表面,以获得具有耐蚀、防覆冰等优异性能的铜材,这将对潮湿低温下铜材的使用具有十分重要的现实意义。基于以上目的,本论文采用两种简便有效的方法制备了铜基超疏水表面,并研究了其表面耐腐蚀、防覆冰以及自清洁等性能,主要工作内容如下:(1)选用过硫酸铵和Na OH作为氧化剂,通过氧化处理在铜片表面构造粗糙结构。通过改变Na OH溶液浓度,分别形成玫瑰花状、六方片层状、绒球状、纳米片状的Cu O薄膜,探讨了Cu O形成机制以及粗糙结构对最终样品疏水性的影响,为理性设计并精确控制氧化铜形貌提供了实验基础。(2)用含有20 mmol/L STA的乙醇溶液对经过氧化处理的铜基材料进行修饰处理来构建超疏水铜基表面。通过扫描电镜观察到经STA修饰后,铜片表面形成菊花状微米级结构,每朵“菊花”由很多直径大约在30-50 nm左右的纳米棒组成,这些纳米棒向一个中心聚集而呈放射状,构成微-纳二元分级结构。考察了STA-乙醇溶液的浸泡时间对铜基表面接触角的影响,最终确定当浸泡时间为24 h时,所得铜基材料的疏水性能最好,其水接触角可达157.3°,滚动角小于5°。(3)利用一定浓度的硝酸银-十二烷基硫醇对经过氧化处理的铜基材料进行修饰处理来构建超疏水铜基表面。考察了硝酸银-十二烷基硫醇修饰的铜片表面形貌,探索了十二烷基硫醇-乙醇溶液浸泡时间对表面接触角的影响。结果发现:十二烷基硫醇修饰后,表面形成了均匀排列的纳米乳突与夹杂的微孔构成的纳米空穴结构,最终确定在十二烷基硫醇中的最佳浸泡时间为8 h,此时超疏水性最好,其接触角可达158.3°、滚动角为3°。(4)采用动态极化曲线分析了STA-乙醇溶液浸泡法制备的铜基超疏水表面的耐蚀性能。结果表明:相对于空白铜片,超疏水试样的腐蚀电流密度降低而腐蚀电位升高,说明超疏水化处理使铜材的耐腐蚀性得到改善,缓蚀率可达到95.2%。进一步考察了不同接触角试样在3.5 wt%的Na Cl溶液中的动态极化曲线,结果表明,随着接触角增大,其耐蚀性逐渐增强。(5)考察了硝酸银-十二烷基硫醇浸泡法构建的超疏水表面在盐水中的耐蚀稳定性,结果表明:超疏水化处理大大提高了铜材的抗腐蚀性。通过SEM、XRD、EDS测试对超疏水表面耐蚀机理及失效原因作了分析:铜基超疏水表面的微纳结构及低表面能的物质,使大量空气充斥在微结构的缝隙和孔洞中,阻止腐蚀介质与基底的直接接触,有效抑制了腐蚀的发生。当腐蚀时间较长时,盐溶液逐渐破坏了材料表面微结构和疏水物质,使其超疏水性能失效。(6)通过对比在低温环境下,水滴在空白铜片和超疏水铜片表面的开始结冰时间,考察了铜基超疏水表面的防覆冰性能。实验结果表明,相对于普通铜片,在同一温度下超疏水铜片表面开始结冰时间明显延迟了,延迟时间最长有16 min。延长时间随温度的降低越来越短。这表明超疏水表面呈现出了良好的防覆冰性能。其次,超疏水表面粘附性小,水滴在铜基超疏水表面可以轻易滚动,并将污染物包裹在水滴表面带离,表现出优异的自清洁特性。
【关键词】：铜 超疏水 耐腐蚀 防覆冰 自清洁
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG178
【目录】：
- 摘要4-6
- Abstract6-12
- 1 绪论12-21
- 1.1 金属铜及其合金12-13
- 1.1.1 概述12
- 1.1.2 铜的性能特点及其应用12
- 1.1.3 铜在使用中存在的问题12-13
- 1.2 超疏水表面13-19
- 1.2.1 超疏水表面及其理论基础13-16
- 1.2.2 超疏水表面制备技术及研究现状16-18
- 1.2.3 铜基超疏水表面的制备技术18-19
- 1.3 超疏水表面应用前景19
- 1.4 超疏水制备技术存在的问题19
- 1.5 本课题研究的内容和意义19-21
- 2 分子自组装法制备纳米氧化铜薄膜21-27
- 2.1 引言21
- 2.2 实验部分21-23
- 2.2.1 实验材料与仪器21-22
- 2.2.2 制备方法22
- 2.2.3 铜片表面氧化铜薄膜的表征22-23
- 2.3 结果与讨论23-26
- 2.3.1 晶体结构分析23-24
- 2.3.2 NaOH浓度对CuO薄膜表面形貌的影响24-25
- 2.3.3 CuO薄膜形成机理探讨25
- 2.3.4 CuO表面形貌对超疏水性的影响25-26
- 2.4 本章小结26-27
- 3 硬脂酸乙醇溶液浸泡法构建铜基超疏水表面27-37
- 3.1 引言27
- 3.2 实验部分27-28
- 3.2.1 实验材料与仪器27-28
- 3.2.2 制备方法28
- 3.3 试样的表征方法28-29
- 3.4 结果与讨论29-35
- 3.4.1 各制备步骤表面的微观形貌及润湿性29-31
- 3.4.2 STA改性铜基超疏水表面的化学结构31-32
- 3.4.3 STA浸泡时间对表面润湿性的影响32-33
- 3.4.4 STA改性铜基超疏水表面的微观形貌33-35
- 3.5 铜基超疏水表面形成机理35-36
- 3.6 本章小结36-37
- 4 硝酸银-十二烷基硫醇浸泡法构建铜基超疏水表面37-45
- 4.1 引言37
- 4.2 实验部分37-38
- 4.2.1 主要实验材料和仪器37-38
- 4.2.2 试样制备方法38
- 4.3 试样的表征方法38-39
- 4.4 结果与讨论39-43
- 4.4.1 硝酸银对铜片表面微观结构及润湿性的影响39-40
- 4.4.2 十二烷基硫醇浸泡时间对表面润湿性的影响40-41
- 4.4.3 十二烷基硫醇改性铜基超疏水表面的化学结构41-42
- 4.4.4 十二烷基硫醇对铜片表面微观形貌的影响及其润湿性42-43
- 4.5 铜片表面超疏水机理探讨43-44
- 4.6 本章小结44-45
- 5 铜基超疏水表面的耐腐蚀性能45-56
- 5.1 引言45
- 5.2 实验过程45-47
- 5.2.1 主要实验材料45
- 5.2.2 试样的表征方法45-47
- 5.3 STA浸泡法构建的铜基超疏水表面的耐腐蚀性能47-49
- 5.3.1 电化学测试47-48
- 5.3.2 表面润湿性对耐蚀性的影响48-49
- 5.4 硝酸银-十二烷基硫醇修饰法构建的超疏水表面的耐腐蚀性能49-54
- 5.4.1 在模拟海水中的耐蚀性49-50
- 5.4.2 腐蚀后表面形貌的变化50-52
- 5.4.3 EDS能谱分析52-53
- 5.4.4 铜基超疏水表面腐蚀后的相结构53-54
- 5.5 铜基超疏水表面耐蚀机理探讨54-55
- 5.6 本章小结55-56
- 6 铜基超疏水表面的防覆冰及自清洁性能56-63
- 6.1 引言56
- 6.2 实验部分56-57
- 6.2.1 主要实验材料和仪器56
- 6.2.2 防覆冰性能测试方法56-57
- 6.2.3 自清洁性能测试方法57
- 6.3 结果与讨论57-62
- 6.3.1 铜基超疏水表面的防覆冰性能57-58
- 6.3.2 铜基超疏水表面防覆冰性能机理探讨58-59
- 6.3.3 铜基超疏水表面的粘附性和自清洁性能59-61
- 6.3.4 超疏水表面自清洁性能机理探讨61-62
- 6.4 本章小结62-63
- 7 结论和展望63-65
- 7.1 结论63-64
- 7.2 研究展望64-65
- 致谢65-66
- 参考文献66-70
- 攻读学位期间的研究成果70
【共引文献】
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，本文编号：537240
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