近年來,來自于自然界的啟發(fā),如荷葉的自清潔性能、鯊魚皮的減阻效果等,許多仿生表面的研究取得了明顯的進(jìn)步,材料的微結(jié)構(gòu)可以改變材料原有的表面性質(zhì),其中金屬材料在實(shí)際工程應(yīng)用中有極大的價(jià)值,對于改變金屬表面改性制備受到了越來越多的學(xué)者關(guān)注,對于金屬材料的應(yīng)用有了更大的拓展,使金屬材料有了更加寬廣的應(yīng)用前景。本文通過理論來指導(dǎo)電火花線切割加工銅合金的微結(jié)構(gòu),經(jīng)化學(xué)腐蝕之后,得到圓臺(tái)形微結(jié)構(gòu),并對微結(jié)構(gòu)的潤濕性、耐腐蝕性以及摩擦學(xué)性能進(jìn)行表征。研究成果如下:（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)的觀測,發(fā)現(xiàn)圓臺(tái)凹槽上方的液面時(shí)彎月面,利用簡化模型,可以計(jì)算凹槽上方液-氣界面的接觸面積,進(jìn)一步根據(jù)接觸角模型預(yù)測公式,得到圓臺(tái)表面接觸角預(yù)測模型。根據(jù)液滴在圓臺(tái)表面處于力平衡狀態(tài),建立平衡方程,根據(jù)臨界三相接觸線密度和凸臺(tái)最小高度理論,建立了關(guān)于表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)與Cassie狀態(tài)形成的影響規(guī)律,結(jié)合之前的接觸角預(yù)測模型,建立整體的圓臺(tái)微結(jié)構(gòu)超疏水的理論設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。（2）首先利用電火花線切割的正交實(shí)驗(yàn),確定加工的最佳工藝參數(shù)。通過測量線切割直接加工表面的本征接觸角θ₀和前進(jìn)接觸角θ_A,... 

【文章來源】：武漢理工大學(xué)湖北省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：81 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

生物表面的SEM圖：a荷葉，b水黽，c玫瑰花瓣，d鯊魚皮

5圖1.2微納結(jié)構(gòu)制備方法的SEM：模板刻印法[12]（a），靜電紡絲法[15]（b），線切割加工法[21]（c），激光加工法[20]（d），溶膠-凝膠法[23]（e），化學(xué)刻蝕法[28]（f）1.4表面微納結(jié)構(gòu)的性能概述微納結(jié)構(gòu)的制備方法也是為了得到微納結(jié)構(gòu)的性能才研究的方法，將自然界生物表面優(yōu)異的潤濕性能稼接到工程應(yīng)用中，制備相應(yīng)的微納結(jié)構(gòu)，使之具有類似的性能，來擴(kuò)充微納結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著研究的深入，針對微納結(jié)構(gòu)表面的其他的性能研究也越來越豐富，微納結(jié)構(gòu)表面特殊潤濕行為使得表面有疏液性和低粘附性，其在工業(yè)上的應(yīng)用如下：自清潔、防覆冰、醫(yī)學(xué)、滑移減阻、減摩耐磨、重金屬檢測以及耐腐蝕等性能。在研究自清潔性能上，Li等[33]在鋁合金表面用化學(xué)刻蝕的方法制備微米級(jí)的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，然后在KMnO4溶液中進(jìn)行鈍化處理3h，刻蝕表面出現(xiàn)大量的納米級(jí)顆粒結(jié)構(gòu)，經(jīng)氟硅烷修飾可以獲得超疏水表面，進(jìn)一步的自清潔性能測試，水滴滴落在試樣表面的水滴會(huì)將表面上的灰塵帶走，表現(xiàn)出跟荷葉類似的自清潔性能。Toosi等[34]用激光加工的方法在聚四氟乙烯表面加工出粗糙的凹槽結(jié)構(gòu)，可以制得超疏水表面，然后測量其自清潔性能，發(fā)現(xiàn)具有良好的自清潔性�，F(xiàn)在的高樓大廈的玻璃外層、汽車和飛機(jī)的玻璃的灰塵很難清理，對于超疏水表面，只要下雨灰塵會(huì)隨雨滴一起滾下，保持表面的清潔。在研究防覆冰性能上，Li等[35]在絕緣表面上加入超疏水涂層，使得其表面在低溫下也具有較好的防覆冰性能。晏忠鈉等[36]將打磨清洗之后的鋁板置于硬脂酸的乙醇溶液中浸泡35h，進(jìn)行改性處理，然后在試樣表面滴20μL的水滴置于零下16℃的冰箱，發(fā)現(xiàn)試樣表面的水滴仍為圓形水滴，具有良好的防覆冰性能。金海云等[37]將打磨清洗的鋁導(dǎo)線放入鹽酸溶液中?

11第2章超疏水表面圓臺(tái)微結(jié)構(gòu)的理論設(shè)計(jì)2.1引言近年來，更多的是通過實(shí)驗(yàn)觀測超疏水現(xiàn)象并解釋機(jī)理，缺少微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與接觸角之間一個(gè)理論模型，而且現(xiàn)有的化學(xué)制備方法制備的都是無序、不規(guī)則的微結(jié)構(gòu)，無法簡化成一個(gè)理論模型，本輪采用電火花線切割制備有序的一級(jí)結(jié)構(gòu)，在不考慮表面能的前提下，建立表面微結(jié)構(gòu)的靜態(tài)預(yù)測角的預(yù)測模型。從力平衡的角度來分析Cassie到Wenzel轉(zhuǎn)變的臨界條件，分析液滴在微結(jié)構(gòu)表面的界面力學(xué)行為，探究微結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對靜態(tài)接觸角的影響規(guī)律，為微結(jié)構(gòu)表面的可控制備提供指導(dǎo)。2.2固體表面的浸潤性浸潤性又稱潤濕性，是超疏水性能的一個(gè)重要特性，液體對固體表面的潤濕是一種界面現(xiàn)象，從宏觀的方面來看，潤濕就是液體與固體表面接觸的過程，從微觀方面來看，液體取代了固體表面的氣體之后，與固體表面發(fā)生分子水平上的接觸，固、液之間不存在可被置換相的分子。常見的潤濕狀態(tài)主要有沾濕、浸濕、鋪展三種，材料表面的化學(xué)組成和微觀幾何結(jié)構(gòu)是其主要的決定因素，固體表面的靜態(tài)接觸角和滾動(dòng)角是潤濕性的主要表征手段。圖2.1三種潤濕狀態(tài)：沾濕（a），浸濕（b），鋪展（c）2.2.1靜態(tài)接觸角將液體滴落在固體表面，液滴向固體表面的四周擴(kuò)展，形成球冠狀的液滴，出現(xiàn)沾濕的潤濕狀態(tài)，并形成穩(wěn)定的固-液-氣三相接觸邊界。在固-液-氣三相接觸點(diǎn)作球冠狀液滴的切線，這個(gè)切線與固-液接觸面的夾角則為液滴在固體表面的接觸角，如圖2.2a所示。人們通常都是用接觸角來衡量液體對固體表面的潤濕程度，它是固-液-氣三相界面表面張力達(dá)到平衡狀態(tài)，使得整個(gè)系統(tǒng)的總能量趨于最小，因而液滴處于穩(wěn)態(tài)。接觸角的大小主要由材料的表面自由能和微觀幾

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]飛秒激光制備銅微納結(jié)構(gòu)表面的潤濕及抗結(jié)冰特性研究[J]. 薛磊,于競堯,馬學(xué)勝,劉子源,陶海巖,林景全.  航空制造技術(shù). 2018(12)
[2]陽極氧化法制備鋁基超疏水涂層及其穩(wěn)定性和耐蝕性的研究[J]. 鄭順麗,李澄,項(xiàng)騰飛,胡瑋,丁詩炳,王晶,劉盼金.  材料工程. 2017(10)
[3]超疏水鋁導(dǎo)線防覆冰機(jī)理研究[J]. 金海云,聶詩超,仝程,李志偉,衛(wèi)世超,高乃奎.  中國電機(jī)工程學(xué)報(bào). 2017(S1)
[4]超疏水銅表面的制備及其耐腐蝕性能研究[J]. 熊靜文,朱繼元,胡小芳.  涂料工業(yè). 2017(09)
[5]靜電紡絲法制備超疏水氟硅改性納米SiO2/PET共混膜[J]. 李靜,易玲敏,王明乾,周鴻.  高分子材料科學(xué)與工程. 2016(12)
[6]溶膠凝膠法鋁基超疏水表面的制備及其防覆冰性能[J]. 占彥龍,李文,李宏,阮敏,胡良云,馬福民,于占龍,馮偉.  材料保護(hù). 2016(S1)
[7]溝槽與方柱陣列結(jié)構(gòu)的微銑削和加工表面疏水性[J]. 宋昊,劉戰(zhàn)強(qiáng),史振宇,蔡玉奎.  機(jī)械工程學(xué)報(bào). 2016(21)
[8]銅及銅合金加工材料在國民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用[J]. 葛麗珍.  科技與創(chuàng)新. 2016(04)
[9]鋁基超疏水表面的制備及耐海水腐蝕性能[J]. 張德建,劉長松,張容容,楊亭亭.  中國科技論文. 2016(04)
[10]仿生表面減阻的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J]. 馬付良,曾志翔,高義民,劉二勇,薛群基.  中國表面工程. 2016(01)

碩士論文
[1]金屬表面噴涂PMMA/SiO2超疏水涂層及其性能研究[D]. 潘賽.南京理工大學(xué) 2017
[2]仿生表面微結(jié)構(gòu)的熱防護(hù)性能研究[D]. 張文龍.大連理工大學(xué) 2013



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