高性能微/纳米结构不粘薄膜的制备及机理研究

本文从仿生学的思路出发,分别采用化学腐蚀和阳极氧化的手段在金属表面构建出类荷叶表面的结构,并用低表面能物质(氟硅烷)对其进行修饰成膜,制备出高性能的微/纳米双尺度细观结构不粘薄膜.该薄膜最佳疏水接触角度达到163.0°,疏丁羟胶的角度也达到136.0°.     

金属锌表面超疏水薄膜的制备及其摩擦学性能

通过简单两步法在金属锌表面构筑超疏水薄膜, 锌片首先经N,N-二甲基甲酰胺(DMF)处理在表面构筑微纳结构薄膜, 然后在表面覆盖硬脂酸薄膜以实现超疏水. 采用扫描电子显微镜, 傅里叶红外光谱仪和接触角测量仪等手段表征了超疏水表面的形成机制和表面形貌, 并利用微纳米摩擦磨损试验机研究了超疏水薄膜的减摩耐磨特性. 研究结果发现, 在锌表面形成了一层纳米棒状结构的超疏水薄膜, 水的接触角可达155^o. 超疏水薄膜具有明显的减摩和耐磨特性, 这可归因于DMF处理导致的表面微织构化效应以及脂肪酸自组装薄膜的纳米润滑效应.     

基于多孔氧化铝腐蚀的表面结构制备及其疏水性能研究

先采用阳极氧化法在铝基板上制备了多孔氧化铝(AAO)膜,并以铝基AAO膜作为前驱物,采用化学腐蚀溶液分别制备出了具有纳米结构、微米结构和微纳复合结构表面的薄膜材料结构。利用扫描电子显微镜、荧光分光光度计和电子能量色散谱仪等测试手段分析了薄膜材料表面结构,并在薄膜表面涂覆低表面能物质氟硅烷薄膜研究这些表面结构的疏水性能。研究结果表明:通过控制化学腐蚀时间可以在铝基AAO膜表面分别获取纳米结构、微纳复合结构和微米结构;与未腐蚀的AAO膜表面相比,三种表面结构都有效提高了疏水薄膜表面的疏水性能;在NaOH溶液腐蚀16 min条件下,表面呈现微纳复合结构,具有超疏水性能,水的接触角达到155°。     

不粘薄膜的微/纳米结构及其机理研究

拟通过化学腐蚀方法在铜基底上制备出高性能的不粘薄膜.具体为首先将分析纯HCl、HNO3、HF按体积比15:5:1混合,配制成腐蚀液对铜片进行腐蚀,构建出具有类荷叶表面的微/纳米结构,接着用按体积比1%配制好的氟硅烷溶液对该基片进行修饰,经风干后就制备出了具有超疏性能的不粘薄膜.试验中用接触角测量仪测得改性前清洁的铜基片对水、蓖麻油和丁羟胶的接触角分别为80°,25°和50°;相比而言,改性后的铜片对以上液滴的接触角分别为153°,137°和142°,用CB方程计算出改性后铜片表面细微结构中与液滴接触的空气膜所占的比例约为0.93.试验证明,不粘薄膜的超疏性能的实现是由微/纳米精细结构和低表面能的氟硅烷薄膜共同决定的.     

叠层式TiO2/SnO2复合纳米薄膜制备及其光电性能研究

采用溶胶-凝胶法在不同基体表面制备了叠层式TiO2/SnO2复合纳米薄膜.用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)对复合薄膜表面形貌和晶体结构进行表征.采用紫外-可见吸收光谱法和电化学方法来研究复合薄膜光学与光电化学性能特征.结果表明,所制备的叠层式TiO2/SnO2复合纳米薄膜表面连续、均匀、致密;XRD分析表明纳米TiO2为锐钛矿型结构,SnO2为金红石型结构;紫外-可见吸收光谱测试表明叠层式TiO2/SnO2复合纳米薄膜较纯TiO2薄膜的吸收范围拓宽;稳定电位随时间变化曲线(OCP-t)结果表明,叠层式TiO2/SnO2复合纳米薄膜光照下其光电化学性能高于纯TiO2薄膜;同时,光照后叠层式TiO2/SnO2复合纳米薄膜能有效储存TiO2先生电荷,延续对不锈钢基体的光生阴极保护性能.经比较,叠加3层SnO2的TiO2/3SnO2复合纳米薄膜改善光电性能最佳.     

多尺度模拟研究纳米凸体几何形貌对初始塑性的影响

研究金属表面微凸体的力学行为对深入理解摩擦、磨损和设计微纳米机电器件有很大帮助.采用准连续方法探索了纳米压痕作用在薄膜(001)表面的纳米微凸体几何形貌对铝和铜薄膜初始塑性的影响规律.结果显示,相较于平坦表面,微凸体的存在显著地降低了薄膜的屈服应力.矩形微凸体横纵比对屈服应力的影响不大.随着底角α的增大,梯形微凸体的屈服应力呈现降低的趋势,尤其是α＞54.7°.同时,在纳米尺度限制全位错形成的条件下,铝中可能容易形成挛晶结构.     

仿珍珠层自组装制备有机/ 无机纳米复合薄膜

模仿珍珠层结构, 采用蒸发诱导自组装的方法, 在石英片表面制备了聚三缩丙二醇双丙烯酸酯( PTPG-DA) / SiO₂ 纳米复合薄膜, 采用FT-IR、XRD 和TEM 等分析技术对薄膜结构进行了表征, 测试了其摩擦力学行为, 并初步讨论了纳米复合薄膜的形成机理。结果表明, 所制备的薄膜具有有机/ 无机有序交替的层状纳米复合结构, 其聚合前的层间距为2. 65 nm , 聚合后的层间距为2. 35 nm。聚合后的纳米复合薄膜具有较好的减摩性能。      

非晶型超疏水和超亲水TiO2薄膜的制备与表征

通过溶胶-凝胶法, 以载玻片为基底制得非晶型纳米TiO₂薄膜, 用SEM、 XPS、 XRD和接触角测量仪研究了薄膜的微观形貌、 表面元素、 晶型结构及薄膜的疏水性, 用Wenzel、 Cassie 理论对纳米TiO₂薄膜的润湿性进行了理论分析。结果表明, 经紫外光照射16 h后, 薄膜表面由超疏水性变为超亲水性, 接触角接近0°。薄膜表面合适的粗糙度和低表面能材料表面修饰的协同作用使其表现出良好的超疏水性。     

酞菁铜/氧化钛纳米复合薄膜的制备及其光导性能的研究

通过电化学阳极氧化法在Ti片上制备了氧化钛(TiO2)纳米管阵列.用这种高度有序的阵列结构作为模板,利用电泳沉积的方法在模板表面沉积了一种有机半导体材料酞菁铜(CuPc),从而得到了CuPc/TiO2有机/无机纳米复合结构.通过场发射扫描电镜(FESEM),透射电镜(TEM)等手段对这种复合结构的表面形貌及结构进行了表征.能谱数据证实了复合结构中有机物的存在.此外,CuPc薄膜的形貌和结构可以通过改变电泳沉积参数(如沉积时间和电压)进行调控,从而得到相应的纳米晶、纳米线和微米线薄膜.用该复合薄膜作为载流子发生层制备的双层光导体的光导性能测试结果表明,与复合前的氧化钛薄膜相比,该复合薄膜的光敏性有明显的提高.     

氧化锌超疏水薄膜的制备及其耐久性

为了提高氧化锌(ZnO)纳米疏水膜层在实际应用中的耐久性能,采用水热法在铝基底表面制备出微纳米结构的ZnO超疏水薄膜,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和接触角测量仪对所得ZnO薄膜的成分、微观结构及润湿性能进行分析;利用UMT摩擦磨损试验机对薄膜的摩擦性能和机械疏水耐久度进行研究;并用CHI660E电化学工作站对超疏水试样在海水中的耐腐蚀性能进行测量分析。结果表明:制备的微纳米结构ZnO薄膜具有超疏水性,在未经低表面能物质改性的情况下,对水的静态接触角高达152°,滚动角仅为2°;摩擦磨损测试表明该薄膜在经过2 400磨损周期后仍能保持较高的静态接触角;电化学阻抗谱和Tafel曲线测试表明,该薄膜的确降低了铝在海水中的腐蚀速率,缓蚀率高达93.8%。     

特种能场辅助微塑性成形技术研究及应用

特种能场辅助微塑性成形技术是利用声、光、电、磁等特殊能量源对微型零件变形过程进行调控的先进制造技术。特种能场已被证明在宏观尺度下对于降低零件加工难度、提高尺寸精度、改善材料微观组织、提升构件力学性能、提高表面质量等存在促进作用。然而,在微塑性成形过程中,材料的变形特性在尺寸效应的影响下与宏观情况存在一定差异。梳理了特种能场辅助微塑性成形技术的研究进展,总结了微型零件在特种能场辅助下的成形特点。其中,着重综述了超声场辅助微成形中体积效应和表面效应的宏观表现及微观机理,展示了多种微成形工艺中超声场对微型零件成形质量的提升效果。同时,重点概述了电场辅助微成形时材料力学性能及微观组织演变规律,剖析了电致塑性效应产生的本质原因。此外,列举了激光、电磁、高压流体等其他特种场辅助微成形的原理及作用效果。最后,对特种能场辅助微成形的发展趋势进行了展望。     

SUS304不锈钢封装板微冲压工艺研究

为实现不锈钢封装板件的高效率低成本批量化制造,开展了不锈钢薄板微冲压工艺研究.设计了集自动送料、辅助定位、落料、微冲孔以及微拉深于一体的高效、复杂、高精度封装板级进模具装置,分析成形条件对成形质量的影响规律,确定最佳工艺参数.同时,进行了不锈钢封装板抗冲击性能测试.结果表明:采用该复杂一体化级进式微冲压成形模具装置,制造出质量良好的不锈钢封装板件,成形效率可达1 120件/h;在超过47 800 g的超负荷条件下,封装板表面平整,未出现明显变形,能够满足机械性能要求.采用这种高效率微冲压成形技术,能够解决微型构件的尺寸精度,提高微型构件的力学性能,有效降低生产成本,实现了封装板件的高效率低成本批量化制造.     

Various curing conditions for controlling PTFE micro/nano-fiber texture of a bionic superhydrophobic coating surface

A simple and conventional coating-curing process to fabricate superhydrophobic coating surface with both the micro-nano-scale binary structure (MNBS) roughness, and the lowest surface energy hydrophobic groups (?CF₃) on engineering materials of stainless steel or other metals was developed by control of curing conditions. Results show that higher temperature and longer cooling time resulted in longer crystallizing process, and the forming PTFE aggregates could slowly produce the crystallization and create the willow-leaf-like or wheat-haulm-leaf-like polymer micro/nano-fiber on the atop surface. The curing temperature dramatically influences the micro/nano-fiber texture of the PTFE/PPS superhydrophobic coating surface, leading to the excellent superhydrophobicity at higher temperature. An increase of the curing temperature is beneficial to fluorine gradient-distribution, PPS thermal-oxidative cross-linking and oxidative reaction, resulting in the enhancement of adhesive strength and mechanical properties of the PTFE/PPS superhydrophobic coatings. A bionic superhydrophobic surface with porous gel-like network and PTFE micro/nano-fiber textures could be created by natural cooling in air, whereas PTFE nano-sphere/-papillates textures could be fabricated by hardening in H₂O.     

Material behavior modelling in micro/meso-scale forming process with considering size/scale effects

Size effects make most know-how of traditional macro forming inappropriate for the micro forming process. Material behavior greatly varies in micro forming process with the decreasing of the scale. The purposes of this paper are to analyze the influence of material size effects and establish a martial model in micro/meso-scale. By combining surface model with theories of single crystal and polycrystal, a mixed material model, which contains a size dependent term and a size independent term, is proposed in this paper. It finds that the flow stress of material in micro/meso-scale is between that of single crystal model (lower bound) and polycrystal model (upper bound). Based on a mixed material model, the influence of size effects is discussed in both micro bulk forming process and micro sheet forming process. At the end, the validity of the mixed model is approved by comparing the simulations with the experimental results.     

Investigation of method for measuring adhesion force of ice in nano/micro scale by using SPM

Ice adhesion to a cooling solid surface occurs in many situations, and it causes many serious problems that can lead to economic losses. Therefore, it is necessary to clarify the mechanism of ice adhesion to a cooling surface. In past studies, the adhesion force of ice was reported to be strongly governed by the surface energy of the cooling solid surface. In consideration of this surface energy, it is essential to investigate the ice adhesion force on a nano/micro scale. However, very little research has been conducted in nano/micro scale. Thus, in this paper, by using a scanning probe microscope (SPM), the methods for measuring the ice adhesion force and contact area between the cooling solid surface and formed ice are proposed, and the optimal measurement conditions of the SPM are determined. Then, the validity and effectiveness of the method are clarified.     

超疏水涂膜的研究进展

从固体表面的润湿性理论出发介绍了三种不同的接触角模型和理论方程,阐明了实现超疏水性的两个必要条件:低表面能表面和特定的细微粗糙度。同时综述了国内外制备超疏水涂膜时常用的疏水材料和制备粗糙表面的方法、动态疏水性及其应用前景。     

高频/ 超声振动辅助微成形技术研究进展与展望

微机电系统等技术的快速发展,给微成形技术提供了强大的发展动力。主要综述了体积微成形、箔板微成形以及微成形介观尺度效应等3个方面的研究进展,并结合作者的研究经历对微成形研究中存在的问题进行了简要分析。在此基础上,着重综述了高频/超声振动作用下材料的力学行为,介绍了材料变形抗力降低的主要原因,即应力叠加、声波软化及摩擦力降低,并从体积效应和表面效应两个方面对其作用机制进行了概述。进而综述了高频/超声振动在微冲裁、微挤压以及微拉深等微成形工艺中应用的研究进展,介绍了高频/超声振动的积极效果。最后,对该方向的研究进展进行了总结,并对其发展前景和主要发展方向进行了展望。     

钢制闸阀密封失效分析

通过宏观和微观检验，结合能谱分析对阀门密封件泄漏的原因进行了分析。结果表明：密封件表面产生锈蚀，主要原因在于表面层铬含量偏低，同时密封件表面存在有机物附着，最终导致阀门密封性能下降。最后根据GB／T24919-2010提出了相关建议。     

沉积熔融法制备超疏水微结构表面

传统超疏水表面制备技术都有着各自的缺点,如加工成本高、受加工设备精度影响大、形貌尺寸随机性大。为得到低成本、形貌尺寸相对可控的超疏水微结构表面,提出了新型制备技术——沉积熔融法。通过金属颗粒悬浊液的自然沉积使微纳尺寸的颗粒均匀分布在金属表面,经熔融、再结晶使其与金属表面结合,再采用低表面能高分子修饰,制备出超疏水微结构表面。通过此方法采用锡铅合金在以黄铜、45号钢、6063铝合金基底上制备了超疏水微结构表面,并发现了金属基底材质与微结构表面的疏水性能之间没有必然关系。当微米尺寸的颗粒直径越小,制备的微结构表面的疏水性就越大。此外,相较于传统超疏水表面加工方法,沉积熔融法可实现微米级形貌的制备,且具有加工效率高、工艺简单、成本低廉、不影响原工件强度等优点,但其难以在弧形表面上应用的问题需要进一步研究。     

生物质材料对微纳塑料吸附性能的研究进展

废弃塑料在江河湖海中呈累积趋势，老化分解产生的微纳塑料严重污染水质，威胁生态环境和居民饮用水安全。传统处理方法，如物理絮凝、生物降解等，存在处理周期长、吸附效率低等问题。天然生物质含有大量的羟基、羧基等活性基团，对生物质进行物理处理或化学修饰改性能够改善孔隙结构和提高比表面积，可作为吸附微纳塑料的绿色材料。本文从微纳塑料的常规处理方法和基本特征出发，简要概况了不同类型微纳塑料对植物、动物和人体的潜在影响和危害，系统介绍了生物质材料(生物质炭、纤维素、甲壳素等)在微纳塑料吸附领域的研究现状，分析总结了生物质材料对微纳塑料的吸附行为、规律和作用机制，最后展望了生物质材料吸附微纳塑料的未来发展前景。