本文關(guān)鍵詞：工程金屬材料極端潤濕性表面制備及應(yīng)用研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《大連理工大學(xué)》 2015年

工程金屬材料極端潤濕性表面制備及應(yīng)用研究

宋金龍  

【摘要】：極端潤濕性表面是指與液體的接觸角小于10°或大于150°的表面,它作為一種功能表面,在軍事、通訊、石油開采等場(chǎng)合具有重要的應(yīng)用價(jià)值。然而,迄今人們對(duì)表面微觀結(jié)構(gòu)影響表面潤濕性的規(guī)律及其機(jī)制的了解仍非常有限,對(duì)極端潤濕性表面制備方法的研究還處于探索階段,且現(xiàn)有制備方法在安全、環(huán)保、效率等方面還存在諸多問題,亟需研制適合產(chǎn)業(yè)化的工程金屬材料表面微觀結(jié)構(gòu)及極端潤濕性表面的制備方法。論文在分析潤濕性相關(guān)理論及工程金屬材料極端潤濕性表面研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,利用化學(xué)沉積、化學(xué)溶解、電化學(xué)陽極溶解、電化學(xué)陽極氧化等特種加工技術(shù),進(jìn)行了一系列在工程金屬材料上構(gòu)建并調(diào)控微／納米微觀結(jié)構(gòu)基底的理論和試驗(yàn)研究,觀察并總結(jié)了不同特種加工方法下表面微觀結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律,結(jié)合多種低表面能修飾技術(shù),制備出極端潤濕性表面�；谒苽涞臉O端潤濕性表面,研究并揭示了其在抗結(jié)冰結(jié)霜和油水分離方面的作用機(jī)理和規(guī)律,為極端潤濕性表面在飛機(jī)某些關(guān)鍵部件抗冰霜和大面積海上溢油回收方面的應(yīng)用提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)。主要研究工作及結(jié)果如下： (1)研究采用含Cu2+和Cl-溶液的化學(xué)沉積和化學(xué)溶解法在鋁和不銹鋼材料上制備極端潤濕性表面�；陔姌O電勢(shì)較低金屬可從電極電勢(shì)較高金屬的鹽溶液中置換出后者的理論,研究了鋁和不銹鋼材料的表面微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分及潤濕性隨含Cu2+和Cl-溶液浸泡時(shí)間變化的演變規(guī)律。結(jié)果表明,經(jīng)化學(xué)沉積后,鋁表面生成微米級(jí)顆粒和亞微米級(jí)樹枝及納米級(jí)枝晶狀結(jié)構(gòu),不銹鋼表面生成微納米級(jí)葉狀結(jié)構(gòu),均顯示超親水性,再經(jīng)低表面能材料修飾后,均轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷?與水的接觸角不小于160°,滾動(dòng)角小于10°；化學(xué)沉積后的鋁表面經(jīng)超聲波清洗可去除沉積銅,表面被化學(xué)溶解形成不規(guī)則的微納米級(jí)長方形凹坑和凸臺(tái)狀結(jié)構(gòu),顯示超親水性；經(jīng)氟硅烷修飾后,轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷�。此方法制備效率高、�?duì)設(shè)備要求低,適用于小型復(fù)雜形狀金屬材料極端潤濕性表面的制備。 (2)研究采用中性鹽溶液為電解液的電化學(xué)陽極溶解法在鋁、鎂合金、銅材料上制備極端潤濕性表面�；陉枠O金屬發(fā)生不均勻電化學(xué)溶解等理論,研究了基底材料類型、電解液成分對(duì)表面微觀結(jié)構(gòu)和潤濕性的影響規(guī)律,探明了特殊表面微觀幾何形貌的形成原因。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了可加工大面積金屬材料極端潤濕性表面的方法和試驗(yàn)裝置,研究了極間間隙對(duì)表面宏觀形貌和潤濕性的影響規(guī)律。結(jié)果顯示,借助外加電場(chǎng)下鋁晶界／位錯(cuò)優(yōu)先陽極溶解及晶粒脫落的性質(zhì),通過采用氯化鈉電解液及氯酸鈉電解液的電化學(xué)陽極溶解法在鋁材料表面構(gòu)造出微米級(jí)長方形凹坑和凸臺(tái)狀結(jié)構(gòu)；借助外加電場(chǎng)下鎂合金a相優(yōu)先陽極溶解效應(yīng)、陽極表面析氫負(fù)差效應(yīng)及未溶解凸起結(jié)構(gòu)易脫落的性質(zhì),通過采用氯化鈉電解液的電化學(xué)陽極溶解法在鎂合金材料表面構(gòu)造出微米級(jí)凹坑、凸起及納米級(jí)乳突狀結(jié)構(gòu)；借助外加電場(chǎng)下銅易在含CI-溶液中鈍化的性質(zhì),通過采用氯化鈉電解液的電化學(xué)陽極溶解法在銅材料表面構(gòu)造出亞微米級(jí)土豆和納米級(jí)顆粒狀結(jié)構(gòu)。所獲得的具有微／納米微觀結(jié)構(gòu)的鋁和鎂合金表面顯示超親水性,銅表面顯示親水性；經(jīng)氟硅烷修飾后,均轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷?與水的接觸角大于164°,滾動(dòng)角小于10°。此方法制備效率高、對(duì)環(huán)境和操作人員的危害小,適用于大面積平面狀金屬材料極端潤濕性表面的制備。 (3)研究采用磷酸三鈉水溶液為電解液的電化學(xué)陽極氧化法在鋁材料上制備極端潤濕性表面。基于外加電場(chǎng)作用下鋁易在堿性溶液中發(fā)生陽極氧化等理論,研究了鋁材料表面微觀結(jié)構(gòu)、潤濕性、顯微硬度等在不同陽極氧化時(shí)間下的變化規(guī)律。結(jié)果表明,在電化學(xué)陽極氧化過程中,鋁表面先生成多孔蜂窩狀結(jié)構(gòu),后轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米叢狀結(jié)構(gòu),且均顯示超親水性；經(jīng)氟硅烷修飾后,轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷?與水的接觸角約為168°,滾動(dòng)角僅為1°。此方法所得表面的粗糙度較低(Ra0.409μm)、硬度較高(約為普通鋁表面的11.6倍),能顯著提高表面的機(jī)械性能。 (4)研究電化學(xué)陽極溶解技術(shù)結(jié)合沸水或銀氨溶液浸泡技術(shù)在鋁材料上制備超疏油極端潤濕性表面。在氯化鈉電解液電化學(xué)陽極溶解法獲得微米級(jí)微觀結(jié)構(gòu)基底的基礎(chǔ)上,通過沸水或銀氨溶液浸泡技術(shù)構(gòu)造納米級(jí)結(jié)構(gòu),研究了浸泡時(shí)間及表面微／納米結(jié)構(gòu)對(duì)不同表面張力液體潤濕性的影響規(guī)律：利用凹角結(jié)構(gòu)理論,解釋了表面獲得超疏油性的相關(guān)機(jī)理。結(jié)果顯示,經(jīng)電化學(xué)陽極溶解和沸水或銀氨溶液浸泡后,鋁表面生成微米級(jí)長方形凹坑和凸臺(tái)狀結(jié)構(gòu)及納米級(jí)針狀或納米級(jí)顆粒狀結(jié)構(gòu),納米級(jí)結(jié)構(gòu)使非凹角的微米級(jí)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槌栌托运璧陌冀墙Y(jié)構(gòu),經(jīng)全氟辛酸修飾后,顯示超疏油性,其中沸水浸泡所得表面與十六烷(表面張力僅為27.5mN/m)的接觸角達(dá)157.7°。本方法所得表面具有超疏油性,可有效防止表面被油污染。 (5)針對(duì)制備出的鋁材料超疏水表面,在自行研制的制冷試驗(yàn)裝置上,對(duì)比研究了超疏水表面和普通表面上冷凝水珠的出現(xiàn)時(shí)間、增長速度及凍結(jié)時(shí)間的差異和規(guī)律,分析了超疏水表面抗結(jié)冰結(jié)霜的相關(guān)機(jī)理。結(jié)果顯示,超疏水表面上的大接觸角增加了表面生成液相的熱力學(xué)勢(shì)壘,降低了液核活化率,延長了液滴的降溫時(shí)間,延遲了冷凝水珠的出現(xiàn)時(shí)間和凍結(jié)時(shí)間,減緩了其增長速度,證明超疏水表面具有顯著的抗結(jié)冰結(jié)霜特性。 (6)基于制備出的不銹鋼網(wǎng)極端潤濕性表面,研究了傳統(tǒng)的傾倒式重力驅(qū)動(dòng)法能成功分離輕油-水混合物和重油-水混合物的條件和機(jī)理。結(jié)果發(fā)現(xiàn),被水預(yù)先潤濕的超親水網(wǎng)能分離輕油-水混合物,被油預(yù)先潤濕的超親水網(wǎng)和干的超疏水網(wǎng)能分離重油-水混合物。 (7)為克服現(xiàn)有極端潤濕性表面油水分離法的缺點(diǎn),基于新研制出的超疏水不銹鋼網(wǎng),發(fā)明了一種表面張力-重力雙驅(qū)動(dòng)油水分離方法與裝置,研究了該方法和裝置對(duì)典型浮油的收集效率、收集速度及污染物對(duì)分離效果的影響。結(jié)果證明,表面張力-重力雙驅(qū)動(dòng)油水分離裝置能在僅依靠表面張力和重力的作用下實(shí)現(xiàn)對(duì)多種典型浮油的收集,效率達(dá)94%以上。該方法具有無需擠壓、無需預(yù)先收集油水混合物、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn),有望應(yīng)用于大面積海面浮油的原位、持續(xù)收集。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG178
【目錄】：

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  本文關(guān)鍵詞：工程金屬材料極端潤濕性表面制備及應(yīng)用研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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