微纳复合结构超疏水铝表面抑霜特性研究

目的从微观上揭示超疏水表面的抑霜机理。方法运用化学刻蚀法制备微纳复合结构超疏水铝表面,在制冷实验台上对试件结霜过程进行微观可视化观测,并分析试件的霜晶演化规律。将超疏水铝片冷面温度分别设置为–5、–10、–15℃三个档次,通过对比普通铝片和超疏水铝片表面的霜晶高度与霜晶质量,结合相变动力学、经典成核理论、传热与传质理论解释相关结霜与抑霜机理。结果不同的实验阶段及不同的实验温度条件下,超疏水铝表面本身的抑霜效果虽然有差异,但是相比普通铝表面的抑霜特性,超疏水铝表面都具有一定的抑霜效果,结霜过程整体滞后,霜层高度发展相对缓慢,实验进行了10min后,超疏水表面的霜层高度只有普通表面的35%。结论由于冷凝水珠在冷表面形成Wenzel状态,水珠浸润在微细结构中,在一定的条件下,超疏水铝表面可有效延缓冷凝水珠的生成,从而抑制结霜。在结霜后期,当冷凝水珠冻结,且在表面布满霜晶后,抑霜效果相对恶化。在经月桂酸修饰后,普通铝表面也具有一定的抑霜性能,但效果明显弱于具有微纳复合结构的超疏水表面,因此建议在制作表面有抑霜需求的材料时,可以以延缓冷凝水珠的生成为技术手段,制作合适的表面微纳结构,以期达到最大程度地抑霜的目的。     

柱状微结构超疏水表面制备及其结霜性能研究

目的研究表面结构与化学成分对结霜性能的影响。方法以具有不同结构参数的多孔阳极氧化铝表面为模板,以高密度聚乙烯为压印热塑材料,采用模板热压法在常压下制备柱状微结构表面。分析表面形貌,测试接触角,通过结霜实验研究其结霜性能。结果柱状微结构表面经化学修饰后,获得超疏水效果。结霜过程实验显示,制备的超疏水表面初始结霜时间更晚,结霜速率更慢。结论通过改变表面结构与表面化学成分均能对表面结霜性能产生直接影响,修饰后的柱状结构表面具有较好的抑霜效果。     

结霜前期纳米结构超疏水表面的凝结-冻结特性

研究结霜前期水蒸气在超疏水表面的凝结-冻结特性,有利于揭示超疏水表面的抑霜机理以及加深对结霜过程的认知。利用溶液刻蚀-沸水法制备了具有纳米结构的铝基表面,水滴与其形成的接触角达161.1°。通过微细观可视化观测,揭示结霜前期纳米结构超疏水表面的凝结-冻结特性,并与接触角为86.5°的裸露铝表面进行了对比分析。结果表明,超疏水表面凝结液滴的形状、尺寸和分布密度与裸露表面均存在差异,且液滴的冻结时间和冻结速率也不同。超疏水表面的液滴从17 min开始冻结,直到26 min才全部冻结,而裸露表面的液滴在4 min内就全部冻结。超疏水表面的纳米结构导致其与凝结液滴间的热阻增大,导热过程被削弱,从而抑制了液滴的生长与冻结。     

印刷电解法制备具有可控微纳结构的防结霜铜金属功能表面

目的提出一种在金属表面制备可控的微纳结构的方法,改善金属表面的疏水性。方法利用丝网印刷快速制备可控微细图案,电解加工快速加工出微细结构,化学氧化法制备出纳米结构,从而成功地在铜表面制备了具有微米纳米复合结构的超疏水表面。在此过程中,首先通过丝网印刷辅助电解加工制备有序微圆柱阵列,然后利用化学氧化在微圆柱表面制备纳米结构,通过扫描电子显微镜(SEM)和接触角来表征铜表面的超疏水性能,用质量变化法研究了铜表面的抗结霜性能。结果丝网印刷的圆形掩膜直径为140~160μm,电解加工后,圆柱直径为130~140μm,高度为15μm左右。SEM测试结果表明,用15wt%FeCl_3溶液进行蚀刻,在铜表面出现了圆柱阵列的微纳复合结构。用氟硅烷乙醇溶液改性微纳复合结构圆柱阵列铜表面时,最大接触角为155°,表现出超疏水性能。抗结霜测试表明,所测试的超疏水表面的抗结霜性能显著增强。结论印刷电解法可以制备出形状和尺寸可控的微结构,对微结构进一步处理可得到微纳复合结构。该结构可以构成超疏水表面,且具有抗结霜性能。     

铜基超疏水表面改性强化冷凝传热

目的 提高超疏水铜管的传热系数,产生并长久维持珠状凝结,在冷凝过程中实现从膜状冷凝到珠状冷凝的转变。方法 首先以硬脂酸铜和环氧树脂为原料,设计并制备超疏水材料,通过静电喷涂法在铜基换热器表面制备超疏水涂层,通过喷枪将配制好的硬脂酸铜悬浮液加压,将所制备的硬脂酸铜悬浮液通过喷枪的作用分散为微米级以及纳米级的小颗粒,然后将这些小颗粒叠加涂覆到铜基底上,最终会形成具有微纳米级复合阶层粗糙结构的均匀涂层。在此基础上,搭建冷凝传热试验系统,探究水蒸气在超疏水表面冷凝传热性能。结果 试验发现,在静电压90 kV的条件下,所制备的超疏水材料和热固性粉末比例为1∶5时性能最好,接触角达到154.3°,涂层机械稳定性最佳。经喷涂处理后的换热器在高温水蒸气气流下仍保持超疏水性,且在冷凝传热试验中,超疏水铜基换热器放热量以及传热系数大大增加,放热量比常规盘管提高23.6%,而传热系数也比常规盘管提高38%。结论 通过静电喷涂法可制备出超疏水材料,且其机械稳定性较好。超疏水膜层能够有效实现液滴跳跃和自去除,在高温气流中保持超疏水性。在稳定的蒸汽流下,超疏水换热器的放热量以及传热系数比常规换热器有了较大提高。     

机械高稳态超疏水表面的研究进展

超疏水表面因其具有低粘附和排斥水的特性,广泛应用于冷凝传热、抗结冰、减阻、防腐蚀、油水分离及自清洁等众多领域,具有极其重要的应用前景.然而,超疏水表面在机械作用下容易造成超疏水性部分或全部丧失,限制其实际应用,故关于该表面机械稳态性问题研究的重要性凸显.综述了超疏水表面在机械作用下的失稳机制和稳态性评价方式,根据超疏水表面的微纳米结构和低表面能物质失效差异,将机械高稳态超疏水表面的实现策略归纳为三类:构筑自修复性表面,利用涂层中的自修复性分子对表面的疏水物质缺失或结构损伤进行自我补足;构筑微观复合结构表面,选择双尺度(大尺度-微米/小尺度-纳米)或全疏单级(或多级)尺度的结构抵御机械破坏;构筑多组分协同增强表面,通过化学键或范德华力作用,改善涂层的固有强度或提高涂层与基底的结合强度.这三类策略均具有一定的局限性,如何实现超疏水表面大规模工业应用仍是一个科学难题,并展望了其未来的发展方向.     

超疏水性氧化铝薄膜的制备与防粘附行为

利用溶胶-凝胶法制备得到氧化铝薄膜,然后通过热处理、沸水处理和脂肪酸修饰后得到一种超疏水性氧化铝薄膜.通过考察材料表面的润湿性和表面结构,对超疏水性氧化铝薄膜的制备过程、润湿性能和防粘附行为进行了研究.结果表明:沸水处理使氧化铝薄膜获得了多孔的粗糙结构,而接枝脂肪链使其表面获得了疏水性的有机层.正是由于其特殊的表面结构和化学组成,使水滴难以渗入到由大量空气占据的空隙中,从而使氧化铝薄膜表现出超疏水特性和良好的防粘附行为.     

加工参数对AZ91D镁合金表面超疏水性能的影响

通过优化加工参数,在镁合金表面获得优良的超疏水性能。用激光刻蚀法获得微米结构,结合纳米涂覆技术制备微/纳米复合结构,再结合低表面能物质,制得超疏水表面。系统研究了加工参数对超疏水性能的影响。通过接触角和滚动角测试,评价镁合金表面的超疏水性,并通过扫描电子显微镜对复合结构表面形貌进行分析。采用涂覆法在激光加工后的基体上成功获得了超疏水改性层。加工参数对AZ91D镁合金超疏水性具有重要的影响。当采用点阵形貌,点阵间距50μm,加工电流为15 A,纳米分散液浓度15 g/L时,AZ91D超疏水表面的静态接触角达到最大值161.1°,滑动角为2.109°,超疏水性能达到最佳。     

铝表面超疏水复合涂层的制备及其表面性能

目的 通过在纯铝表面构筑超疏水涂层,优化金属铝表面,并强化其应用性能。方法 采用阳极氧化法在铝表面构筑具有纳米孔洞的Al2O3薄膜,再利用全氟癸基三乙氧基硅烷修饰表面,得到超疏水复合涂层,并研究氧化电位和表面修饰时间对纳米结构的构筑及疏水性能的影响,研究超疏水复合涂层表面润湿性、防污、自清洁和抗结冰性能。结果 控制阳极氧化条件,在氧化电位为16～18V、氧化时间为1h时,得到1～2μm的“花瓣”聚集叠加成的多级粗糙结构。通过6 h的表面修饰,得到了接触角为163.6°的超疏水性复合膜层。进一步对该超疏水膜层的性能进行分析发现,经超疏水膜层修饰后铝具有优异的防污性能;相较于纯铝,经超疏水膜层修饰后铝片的电化学阻抗模值高达105?·cm2,而电流密度仅为1.81×10-9 A/cm2;在高温和低温环境下,超疏水膜层均能保持超疏水性能;经砂纸来回打磨200 cm后,膜层的接触角仍大于150°。结论 经阳极氧化纯铝得到具有多级粗糙结构的阳极氧化膜,并通过表面修饰可制备接触角高达163.6°的超疏水性复合膜层。该超疏水复合涂层具有优异的耐腐蚀性、自清洁性、耐污染性,以及良好的耐蚀性、机械稳定性和...     

TC4钛合金超疏水表面/超润滑表面的制备及防冷凝性防冰性能研究

目的 为研究疏水表面与润滑表面的防冷凝及防冰机理，拓宽TC4钛合金在航空航天、医疗、化工石油、船舶制造等多个领域的应用。方法 采用阳极氧化法，在TC4表面构建了不同粗糙微结构，利用扫描电镜和原子力显微镜分别对表面形貌和粗糙度进行表征，对表面进行氟化和注油后，应用接触角测量仪测试表面的接触角、滚动角和滑动角，并在恒温恒湿箱内对氟化超疏水TC4表面和注油超润滑TC4表面的冷凝行为和结冰行为进行观测。结果 以HF溶液为电解液，10 V恒定电压下，在TC4表面制备得到了突触状微结构，20 V恒定电压下制备得到了排列有序的纳米管状结构。氟化改性后，纳米管状结构TC4表面接触角可达156.1°，滚动角为8°，表现为超疏水性。注油后的纳米管状超润滑TC4表面接触角为109.1°，滑动角为2°，表现为超润滑性。在冷凝测试中，超疏水表面出现了液滴自发滑移和自发跳跃行为。在结冰测试中，注油后的纳米管状超润滑TC4表面比其他测试样品表面具有最长的结冰延迟时间45s和最低冰黏附强度8.8 kPa。结论 超疏水TC4表面比其他测试样品表面具有更加优异的防冷凝性，进行注油润滑后，超润滑表面的防结冰性优于超疏水表面...     

基于激光烧蚀和水热法的超疏水表面制备

为了获得具有超疏水性的功能表面,以粗糙表面的石墨为基底,采用水热法使甲酰胺与锌片建立反应体系,产生具有超疏水性的氧化锌.采用扫描电子显微镜对其形貌进行表征,用接触角测量仪对其接触角进行测定.结果表明,在粗糙的石墨表面制备的氧化锌为球状结构,类似蒲公英,与水的接触角155°.球状结构的氧化锌可使粗糙的石墨表面产生超水性.     

金属锌表面超疏水薄膜的耐蚀及摩擦学性能的表征

目的改善金属锌在海洋环境中的耐蚀及摩擦学性能。方法通过简单的化学刻蚀及自组装技术在金属锌表面制备超疏水薄膜,对薄膜的结构和润湿性进行了表征,研究了超疏水薄膜在模拟海水(3.5%Na Cl溶液)中的耐蚀性能和摩擦学性能。结果经N,N-二甲基甲酰胺水溶液刻蚀后,金属锌表面呈多尺度微纳的Zn O结构,Zn O结构经硬脂酸修饰后,表面呈现出超疏水特性,表面静态接触角达150°,滑动角小于5°。同时发现,在3.5%Na Cl水溶液中,金属锌表面超疏水薄膜具有优异的耐蚀性能,并能够显著降低摩擦和磨损。结论经简单的化学刻蚀及自组装技术可在锌表面构筑超疏水薄膜,薄膜在海洋环境下具有良好的耐蚀、减摩及耐磨性能。     

Super-Hydrophobic Surface Prepared by Lanthanide Oxide Ceramic Deposition Through PS-PVD Process

Super-hydrophobic surface has received widespread attention in recent years. Both the surface morphology and chemical composition have significant impact on hydrophobic performance. A novel super-hydrophobic surface based on plasma spray-vapor deposition was introduced in the present paper. Samaria-doped ceria, which has been proved as an intrinsic hydrophobic material, was used as feedstock material. Additionally, in order to investigate the influence of surface free energy on the hydrophobicity, chemical modification by low surface free energy materials including stearic acid and 1,1,2,2-tetrahydroperfluorodecyltrimethoxysilane (FAS) was used on coating surface. Scanning electron microscopy and Fourier transform infrared spectroscopy were employed to characterize the coating surface. The results show that the obtained surface has a hierarchical structure composed by island-like structures agglomerated with angular-like sub-micrometer-sized particles. Moreover, with the surface free energy decreases, the hydrophobic property of the surface improves gradually. The water contact angle of the as-sprayed coating surface increases from 110° to 148° after modification by stearic acid and up to 154° by FAS. Furthermore, the resultant surface with super-hydrophobicity exhibits an excellent stability.     

具有超疏水表面的白铜在3.5%NaCl溶液中的电化学行为

通过化学刻蚀法和自组装技术,构建了白铜的超疏水表面.利用接触角测试和电化学分析技术探讨了制备工艺对疏水膜性能的影响.对不同刻蚀条件下制备的超疏水表面的电化学测试结果进行比较,结果表明:合适的表面粗糙结构是制备具有优良耐蚀性能的超疏水膜的关键.接触角测量和电化学测试结果表明:构建的白铜基超疏水表面的接触角可达152.8°,该超疏水膜能够大幅提高白铜在3.5%NaCl溶液中的耐蚀性能,缓蚀效率达到96.1%.     

超疏水镁合金制备及其耐腐蚀性研究

研究了2种化学试剂和2种表面改性剂,通过4种不同的组合方式在镁合金表面制备超疏水膜层的简单方法。先分别使用氯化铜和硫酸锌对镁合金进行化学刻蚀,再通过油酸和硬脂酸对其进行表面修饰。改性以后试样的静态接触角均达到150o以上,滚动角在6.5o左右;且试样的超疏水性能保持稳定,在空气中暴露半年之久后,其接触角依然保持在150o以上,变化幅度非常小。对4种不同的超疏水试样进行电化学测试,比较发现采用氯化铜刻蚀后经过硬脂酸自组装得到的超疏水表面拥有最好的耐腐蚀性,其自腐蚀电位达到–1.11 V,相比于镁合金基体提高了0.33 V,且容抗弧直径是基体的6~7倍。     

具有超疏水表面的铜及铜合金耐蚀行为研究进展

随着铜及其合金的广泛应用,腐蚀问题也造成了巨大的社会和经济损失,超疏水表面处理是一种新型且非常有前景的金属防腐蚀方法。本文简要介绍了用于制备铜基超疏水表面的疏水材料和方法;重点分析了超疏水表面对铜及铜合金耐蚀性能的影响;归纳了超疏水表面防腐蚀的机理;总结了超疏水表面防腐蚀的技术障碍;最后提出了超疏水表面与缓蚀剂联合防腐蚀的新思路。     

Fabrication of super-hydrophobic surface on copper surface by polymer plating

The 6-(N-allyl-1,1,2,2-tetrahydroperfluorodecyl)amino-1,3,5-triazine-2,4-dithiol monosodium) (ATP) was used to fabricate polymeric thin film on pure copper plate to achieve super-hydrophobic surface. The copper plates were pretreated to gain rough surfaces by chemical etching before polymer plating. The polymer plating process of ATP on copper in Na₂CO₃ aqueous solution and the growth mechanism of poly(6-(N-allyl-1,1,2,2-tetrahydro-perfluorodecyl) amino-1,3,5-triazine-2,4-dithiol) (PAT) thin film was studied by means of cyclic voltammetry. The polymeric film was investigated by using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and the etched surfaces were observed by atomic force microscopy (AFM). A contact angle meter was applied to measure the contact angles with distilled water drops at ambient temperature. The experimental results indicated that the polymeric film formed on rough copper surface exhibits super-hydrophobic property with a distilled water contact angle of 155°. The wettability of copper surfaces was discussed on the basis of both Wenzel and Cassie theories. The etching and polymer plating processes are time-saving, inexpensive, environmental and fairly convenient to carry out. It is expected that this technique will advance the production of super-hydrophobic materials with new applications in large scale. Moreover, this kind of thin film can be used as a dielectric material due to its insulated feature.     

电化学刻蚀法制备铝合金超疏水表面及其润湿性转变

目的通过简易环保的方法在铝合金基体上制备超疏水表面。方法采用电化学刻蚀和空气中保存法在铝合金基体上制备超疏水表面,用扫描电子显微镜、粗糙度测量仪和光学接触角测量仪对所得样品的微观形貌、表面粗糙度和润湿性进行分析。结果水滴在铝合金表面的接触角随着保存时间的增加而增大,电化学刻蚀所得超亲水表面逐渐表现出超疏水特性。12 d后表面趋于稳定,水滴在铝合金表面的接触角和滚动角分别为(152.3±4.5)°和(6.4±2.2)°。随着电化学刻蚀时间的增加,铝合金表面的润湿性减小。热处理可以使超疏水表面转为超亲水表面,在空气中保存后表面又恢复疏水性。结论试验所用中性环保的NaCl溶液作为电解液,极大地降低了试验对人体和环境的危害。并未使用有害的二次化学涂层作为表面能修饰材料,提高了试验的安全性和超疏水表面的稳定性。通过此简单环保的电化学刻蚀和空气中保存的方法成功地在铝合金基体上制备出了超疏水表面,所得表面展现出良好的疏水特性。