激光图案化铝合金表面的润湿性和各向异性研究

目的 研究水滴在超亲/超疏水图案化铝合金表面润湿性、滚动阻力各向异性和定向运输特性。方法 采用激光刻蚀和氟硅烷修饰的方法,加工出具有微网格图案的超疏水6061铝合金表面。在超疏水铝合金表面再次激光刻蚀加工出长方形、平行四边形和圆形的超亲水微流体通道。研究了亲水沟槽宽度和深度对超亲/超疏水表面各向异性润湿和各向异性滚动的影响,分析了重力作用下水滴沿微流体通道的运动情况。利用SEM、三维轮廓仪观察铝合金表面形貌。利用接触角测量仪观测水滴与表面的接触角与滚动角大小。利用高速摄像机观察水滴的运动情况。结果 水滴在超亲/超疏水铝合金表面表现出明显的润湿性各向异性和滚动阻力各向异性。10μL水滴在0.1 mm宽度的直线型沟槽上铺展,平行接触角θ_cp仅为93.9°;而垂直于线型沟槽方向,垂直接触角θ_cv却为152.6°。平行滚动角θ_rp为21.5°,而垂直滚动角θ_rv大于90°,水滴无法滚落。基于超亲/超疏水表面滚动阻力各向异性的特性,制备了依靠重力驱动实现微流体定向运输的铝合金表面。结论 亲水沟槽宽度对水滴在超...     

5A02铝合金表面微纳结构的制备及防腐行为研究

通过低成本的酸刻蚀、表面钝化处理在5A02铝合金基体表面构筑出二元微米级多孔梯田及絮状纳米粒子层结构,研究了该结构经氟硅烷化低表面能处理后的润湿及抗海水腐蚀特性。结果表明,制备表面获得了优异的超疏水特性,其水滴接触角为156.1°,接触角滞后为1.5°。通过电化学测试进一步表明钝化絮状纳米粒子层及超疏水膜层结构有效抑制了基体电化学腐蚀所必需的阴极和阳极反应,同时阻断了腐蚀介质与基体的接触,最终达到铝合金板表面腐蚀防护的目的,对拓宽铝合金材料的工程应用具有深远的意义。     

超亲水/超疏水镍-纳米三氧化钨复合镀层的制备及特性分析

硬度高、寿命长、适用范围广的金属基自清洁表面的制备是国内外研究的热点和难点。以镍为金属基体,纳米三氧化钨（WO₃）作为功能性材料,采用复合电沉积法在金属基底上制备出超亲水或超疏水可选择的镍-纳米三氧化钨自清洁镀层。使用SEM、S-neox 三维光学轮廓仪、EDS、接触角测量仪等测量其表面形貌特征、力学性能、表面润湿性及光催化性能。结果表明：WO₃质量分数为17%时的镍-纳米三氧化钨复合镀层表面呈现典型的微纳米分级结构特征和超亲水润湿特性,并具有光催化降解甲基橙溶液能力;经氟化处理,复合镀层由超亲水转变为超疏水,接触角高达156.5°;经电化学刻蚀-氟化处理,复合镀层的疏水能力更强,光催化性更好;制备的复合镀层具备超亲水或超疏水特性,具有硬度高、与金属基体结合力大、光催化降解有机物等更加优异的自清洁性能。     

时效温度对化学刻蚀304不锈钢超亲水稳定性的影响

目的利用化学刻蚀、化学氧化方法在304不锈钢表面制备微纳米结构并实现超亲水性质,改变时效处理温度,研究亲水表面润湿性的稳定程度。方法以2 mol/L的FeCl_3溶液、HCl、H_2O_2按照15:1:1的体积比混合得到刻蚀溶液,氧化液采用CrO_3与H_2SO_4的混合溶液。刻蚀完成后,通过接触角测量仪(OCA15EC)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)及自带的能谱仪(EDS)表征试样表面的接触角、微纳米级表面形貌及试样表面元素,并分析不同处理条件下润湿性的变化规律。结果在本征润湿角为45°左右的304不锈钢基体上,通过化学刻蚀、化学氧化的复合处理方法可以获得超亲水表面。常温条件下,试样能够维持一定时间的超亲水性质。高温时效处理后,超亲水表面的润湿性发生变化,经400℃时效处理后,重新获得超亲水特性。结论该方法较易在耐腐蚀基体不锈钢表面制备微纳米结构,对基体表面润湿性产生影响。     

基于分形理论的疏水功能表面润湿性分析

为分析疏水功能表面的形貌参数对其润湿性的影响,以1060铝合金为基体材料,通过化学刻蚀预处理,电解刻蚀和硬脂酸修饰相结合的方法,制备疏水功能表面。通过调控化学刻蚀时间,使表面具有不同的微观形貌,进而改变其润湿性。利用扫描电子显微镜对疏水功能表面的微观形貌进行表征,利用接触角测量仪对其润湿性进行测定。基于图像处理技术,对疏水功能表面的微观形貌特征信息进行提取与分析。结果表明,同一表面在不同的放大倍数下,其灰度值分布统计具有相似的规律,说明所制备的疏水功能表面具备分形特征;利用差分盒子维数算法对表面维数进行计算,不同化学刻蚀时间所对应的表面维数与其润湿性的变化规律相吻合,说明维数是疏水功能表面的润湿性调控参数之一。     

2024铝合金超疏水表面的制备及其耐蚀性能

目的 在2024铝合金基体上制备超疏水表面,从而提高自清洁性能和耐腐蚀性能。方法 采用硫酸和草酸钛钾混合电解液阳极氧化,用月桂酸乙醇溶液修饰,在铝合金基体上制备超疏水表面,用扫描电子显微镜（SEM）、红外光谱和光学接触角测量仪观察、分析超疏水表面形貌、化学结构和润湿性,用电化学交流阻抗和极化曲线测试研究超疏水表面在3.5%氯化钠中的耐蚀性。结果 20 V恒电位阳极氧化时间小于90 min时,随着时间的增加,接触角增大。铝合金在0.5 mol/L硫酸和0.01 mol/L草酸钛钾混合电解液中阳极氧化90 min,并在5%（质量分数）的月桂酸乙醇溶液中修饰1.5 h,能制备出最优的超疏水表面,接触角为157.99°。在3.5%氯化钠中浸泡14天后,超疏水铝的交流阻抗值高于空白铝4个数量级,Tafel极化曲线解析表明,保护效率为99.92%。结论 在低浓度硫酸中对铝阳极氧化,并用月桂酸修饰能够成功制备出超疏水表面。所得表面展现出良好的耐腐蚀性,并且耐孔蚀性能得到改善。     

两种硅烷偶联剂修饰的铝合金表面超疏水性能研究

目的 探究硅烷偶联剂对铝合金超疏水表面性能的影响。方法 通过化学刻蚀并结合硅烷偶联剂修饰,在AMS 4037铝合金上制备超疏水表面。首先,通过HCl/H2O2混合液对铝合金进行刻蚀,在其表面构造具有多级蜂巢状的微/纳复合结构,再分别采用硅烷偶联剂和含氟硅烷进行疏水改性。详细研究2种改性剂的浓度对刻蚀铝合金表面润湿性的影响。采用接触角测量仪对材料表面润湿性和表面自由能进行测试,通过扫描电镜、能谱仪、激光共聚焦显微镜对表面微观结构和化学成分进行表征。同时,对2种硅烷偶联剂修饰的铝合金超疏水表面进行液滴冻结时间、防覆冰及自清洁行为测试。结果 铝合金表面的疏水性并不总是与改性剂的浓度呈正相关。当改性剂的质量分数为0.5%时,经硅烷偶联剂修饰后其刻蚀表面的接触角为156.3°,但滚动角大于30°,而经含氟硅烷修饰后其表面的接触角可达164.4°,滚动角为6°。液滴在硅烷偶联剂和含氟硅烷修饰后的超疏水表面的冻结时间分别为37、45 s。结论 相较于硅烷偶联剂修饰的刻蚀表面,含氟硅烷改性后其表面能更低,疏水效果更好。相较于未处理的铝合金表面,经硅烷偶联剂修饰后铝合金超疏水表面可显著抑制液滴的冻结过程,具有更长的冻结时间和延迟覆冰的能力,并且含氟硅烷修饰后表面的防冰性能更佳。自清洁实验也证明经含氟硅烷修饰后的表面具有更好的自清洁性能,其表面的微小灰尘颗粒更易被带走。     

镍基超疏水表面的制备及其在海洋腐蚀防护中的应用

采用电化学沉积-表面修饰两步法在金属铜表面制备了镍基仿荷叶超疏水表面,采用扫描电子显微镜、X-射线衍射、X-射线光电子能谱、接触角测量仪等测试手段表征了所制备膜层的微观形貌、组成及润湿性,并基于Cassie模型理论分析了表面的润湿性与微观形貌间的相关性。在此基础上,采用电化学测试手段评价了所制备镍基超疏水膜在3.5%NaCl溶液中的腐蚀防护性能。结果表明:镍基超疏水膜可有效抑制金属基体的腐蚀过程,并提出了相应的腐蚀防护机制。     

修饰不同微结构对疏水性表面浸润性的影响

目的研究修饰微结构对疏水性材料表面浸润性的影响并指导制备超疏水表面。方法基于有限元软件建立了水滴在修饰不同微结构的疏水性表面的润湿模型,通过水滴表观接触角衡量分析了疏水材料表面修饰单一粗糙结构和复合粗糙结构对疏水性提升的效果,利用硅树脂掺杂微粒制备了不同粗糙度的疏水性涂层,涂层固化后测试其实际接触角大小,并与仿真结果对比。结果仿真结果显示,对水滴接触角为100°的表面修饰单一粗糙结构后,由于微结构形成的凹槽滞留空气,阻碍了水滴在表面铺展,使得水滴在表面的接触角增大至133°。在原微结构基础上修饰更小一级的微结构后,水滴在表面的接触角达168°,材料表面达到超疏水效果。实验中,随涂层表面粗糙度的提升,水滴在表面的接触角逐渐增大,掺混两种微粒的疏水涂层固化后,表面形成复合微观结构,水滴接触角达162°,与仿真结果拟合较好。结论在疏水性表面修饰微结构可显著提升其表面疏水性,修饰复合结构后可达到超疏水效果,此方法可用于实际工程制备超疏水表面。     

TSA协同HCl化学刻蚀铝片构筑低粘附超疏水表面及其稳定性

目的 通过化学刻蚀法制备铝基超疏水表面,并提高其机械稳定性和化学稳定性。方法 以盐酸（HCl）为主刻蚀剂,对甲苯磺酸（TSA）为辅助刻蚀剂,通过化学刻蚀法构筑铝片微-纳米结构,涂覆硬脂酸后制备超疏水铝。探讨最佳刻蚀时间和浓度,通过FESEM、EDS和ATR-FTIR对铝片的表面结构和化学组成进行分析。利用接触角测量仪、电化学工作站和线性耐磨实验分别对铝表面的润湿性、耐腐蚀性和机械稳定性进行研究,并探讨铝在3.5% NaCl溶液中的化学稳定性。结果 当TSA浓度为0.2 mol/L,刻蚀时间为8.0 min时,获得的超疏水表面接触角（CA）最大,为167.9°,滚动角（SA）为6.3°,对应的腐蚀电位较裸铝正向移动了742 mV,腐蚀电流密度降低了1个数量级。此外,该超疏水表面还具有良好的机械稳定性和化学稳定性,经砂纸磨损70 cm后,接触角仍高达155.9°。模拟海水环境测试化学稳定性发现,将其浸泡在3.5% NaCl溶液中,20天仍维持在一种粘附超疏水状态。结论 通过调节化学刻蚀时间和TSA浓度在铝基表面制备得到微-纳米粗糙结构,硬脂酸改性后,获得具有超疏水性能的复合表面。该超疏水铝表面兼具优异的机械稳定性和化学稳定性能,并可以在高盐环境下保护铝基体。     

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%.     

可切换润湿性超疏水表面制备方法及应用

目的 制备可切换润湿性的智能超疏水表面,并探索该表面潜在的应用前景。方法 利用模板法,基于热响应形状记忆聚合物（Shape Memory Polymer,SMP）制备具有条状微结构阵列的可切换润湿性智能超疏水表面,并对其润湿性可逆转换能力及循环使用稳定性进行测试。结果 通过扫描电子显微镜观察到所制备表面微结构完整且轮廓清晰,液滴接触角在该表面可达到（150±3）°。通过加热使该表面达到玻璃化转变温度,此时对其施加外载荷使表面上条状微结构向一侧倾倒,由于微结构形态的改变,SMP表面疏水性减弱、水黏附性增强,再通过简单加热就可以使表面形态恢复至原始状态。通过试验测得环氧SMP的形状固定率为98.8%、形状回复率为96.3%,均达到95%以上,由于其优异的形状记忆特性,条状微结构的形态可以在原始直立状态和受到外载荷时的倾倒状态之间产生热响应而自由转变,且这种润湿性转换循环10次以上后,该表面依然保持着相对良好的润湿性可逆转换能力。结论 基于形状记忆聚合物制备出的可切换润湿性智能超疏水表面具有良好的润湿性可逆转换能力和循环使用能力,且在液滴微反应器、生物检测、可重写液体图案、无损失液滴转移和芯...     

基于图像处理技术界定微纳复合织构防覆冰性能

目的 制备具有防覆冰性能的微织构表面,准确评价微织构表面的结冰性能。方法 采用激光二次扫描方法,以铝合金为基底,构筑沟槽-凹坑型复合微织构表面,以水滴在其表面结冰过程的图像为对象,采用阈值法分割图像和背景,对提取出的图像进行形态学运算,通过分析水滴结冰过程中的轮廓变化规律,研究水滴结冰过程的状态变化,进一步界定水滴的结冰时间。结果 纳秒激光一次扫描形成的沟槽结构,增加了试件表面的粗糙度,使铝合金表面接触角由54.4°提高到116.5°,实现了铝合金表面的疏水性能。而二次扫描构建的沟槽-凹坑复合微织构,形成了Cw-Cn接触模型,进一步提高了试件表面的疏水性,试件表面接触角增大至154.4°。超疏水表面成核能垒高,且沟槽-凹坑复合微织构捕获的空气降低了固液界面的热交换速度,是铝合金表面结冰时间由11 s延长到551 s的原因。图像处理方法准确界定了水滴在结冰过程中的三个阶段。采用Harris角点检测法,可以实现精确判断结冰完成时间,减小了肉眼判断结冰状态所带来的主观误差。结论 纳秒激光二次扫描构筑的沟槽-凹坑复合微织构可以有效提高Al7075表面的疏水性,并延缓水滴在其表面的结冰时间。图像法处理提取的表面轮廓,为研究分析水滴在结冰过程中的状态变化提供了一种新思路。     

微纳复合沟槽形铝合金表面的结冰性能

为开发具有抗结冰性能的稳定性铝合金功能表面,采用高速电火花线切割加工技术(Wire cut electrical discharge machining,WEDM)在铝合金表面加工出沟槽形复合微结构,对其润湿性和结冰性能进行测试,并对机理进行分析。结果表明,铝合金表面构建的微纳复合微结构形成了"气垫"效应,减少了液滴与基底的接触面积,增加了液滴在材料表面的表观接触角。测试环境的温度和湿度由于分别改变了材料表面液滴的表面张力和液滴体积,从而改变了材料表面的润湿性。材料表面的润湿性对抗冰效果有重要影响,超疏水表面表现出优异的抗结冰性能,疏水表面次之。抗结冰机理分析发现,沟槽内微结构"捕获"的气体,减小了液滴与固体表面的实际接触面积,加大了液滴重心与冷表面间的距离,增大了形成冰核的热力学势垒,延长了结冰时间,使微结构表面具备一定的抗结冰效果。     

超疏水铝合金表面的制备及耦合机理分析

为制备超疏水铝合金表面,采用高速电火花切割技术在铝合金表面加工类水稻叶表面的沟槽结构。通过扫描电子显微镜(SEM)观测材料表面形貌,采用接触角测量仪表征水滴在材料表面的疏水性和黏附性。结果表明： 铝合金表面形成了排列规则的微米级沟槽结构,沟槽突起和底部覆盖着微米级凹坑、突起物和纳米级错层等结构。铝合金试样表面的接触角由加工前的61.24°提高至157.71°,最大达165.36°,实现了材料表面亲水向超疏水的转变。提拉法表明加工的铝合金表面具有高黏附特性。将测得的接触角与CassieBaxter模型计算的理论值进行比较,发现试样表面的超疏水性是微米级和纳米级等复合结构共同耦合作用的结果。铝合金试样表面的多尺度结构不仅提高了材料表面的疏水性能,同时也形成了试样表面的高黏附特性。     

超疏水表面微结构的设计及其注射成型

目的 从超疏水表面的功能设计出发,主动设计三种深宽比的微结构阵列并洞察其在不同润湿接触状态下的疏水性能。方法 首先,采用热力学分析方法,建立三种深宽比微结构的系统自由能与其接触角、结构几何参数之间的函数关系,探明自主设计微结构表面的润湿性能。继而,在热力学分析的基础上,采用紫外光刻、电铸和注射成型技术相结合的方法实现三种深宽比微结构聚丙烯（PP）超疏水表面的制备。最后,进一步测量与分析聚丙烯（PP）微结构表面的润湿性能。结果 三种深宽比微结构表面的静态接触角测量值均大于150?,滚动角分别为12?、14?和15?,基本达到设计目标;同时,微结构表面的表观接触角测量值与理论计算值基本符合。表面的接触角滞后分别为15?、21?、22?,且接触角滞后随着深宽比的增加而变大,使液滴在PP表面的流动性也变差。结论 在设计微结构超疏水表面的过程中,可以适当降低微结构的深宽比,以获取更好的超疏水特性。自主设计的微结构表面基本实现超疏水性,为高聚物超疏水表面的功能设计与高效制备提供了理论依据与技术支撑。