低表面能修饰工艺对涂层接触角的影响研究

针对冬季高速列车转向架区域结冰现象,制备防覆冰涂层来减缓该现象。采用超音速火焰喷涂WC-Co粉末制备微纳结构涂层,并在其表面修饰不同低表面能物质,研究低表面能修饰工艺对涂层表面静态接触角的影响。结果表明:采用不同浓度和工艺参数处理的疏水气相纳米二氧化硅均可提高接触角,最佳低表面能修饰工艺为:SiO_2丙酮溶液浓度20 mg/mL,喷涂距离250～300 mm,喷射角度75°～80°,喷枪移速60 mm/s,喷涂道次为5次,压缩空气压力为0.65 MPa。采用该工艺可获得接触角为154.3°±3.0°,滚动角为4.1°±0.1°的涂层。     

影响硅橡胶涂层疏水性的因素

目的寻找影响硅橡胶涂层疏水性的因素,并找到相应的提升改进方法。方法以液体硅橡胶为基体,通过燃烧橡胶条熏附、添加纳米SiO2粉末混合和喷洒纳米SiO2粉末附着这三种不同方式,来制备超疏水表面涂层。通过改变纳米粉末的加入方式、加入质量,研究疏水性的最佳条件。并通过光学显微镜测量静态接触角评价表面疏水性能,寻找影响其疏水性的因素。结果最佳的方法为熏烧的烟尘附于液体硅橡胶涂层表面,大多数试验样本出现超疏水特性,静态接触角最高可达159°,平均值150°,静态接触角提高40°以上;次之为均匀喷洒纳米SiO2粉末,部分试验样本出现超疏水特性,静态接触角最高为145°,平均值135.5°,静态接触角提高30°~40°;简单搅拌混合的提升效果最差,没有试验样本出现超疏水特性,静态接触角最高可达124°,平均值108.5°,静态接触角只提高5°~15°。结论构建超疏水涂层的关键在于能否成功构建出微纳米的二级微观结构,简单的物理混合、搅拌会使纳米粉末被覆盖掉,无法表现出其特性。涂层的疏水能力与接触周围的实际微观长度有关。     

基于静电喷雾法制备油水分离的超疏水表面研究

目的 提出一种静电喷雾法制备超疏水表面而实现油水分离的方法。方法 利用静电喷雾法将二氧化硅微粒喷涂到不锈钢网表面以构建微粗糙结构,利用氟硅烷降低二氧化硅微结构涂层的表面能。探讨静电喷雾的电压、喷涂时间、二氧化硅粒径、溶液pH、浸泡时间等参数,对表面微结构和疏水性能的影响。通过扫描电镜表征样件表面形貌,通过接触角测量仪测量超疏水不锈钢网表面的疏水性能。利用超疏水不锈钢网实现油水分离以检验装置的浮油收集能力。结果 二氧化硅微粒能够在不锈钢网表面喷涂形成均匀粗糙的微结构。在6 kV静电压下,雾化喷涂粒径为25 nm的二氧化硅所获得的超疏水不锈钢网的接触角达161°,在不同pH溶液中浸泡15 d后,接触角仍大于150°,浸泡35 d后,接触角仍大于未处理的不锈钢网。该网可以收集97%以上的柴油和煤油及90%以上的汽油和茶油,且重复使用20次后,仍保持粗糙的表面微结构和高油水分离率。结论 采用静电喷雾法能简单高效地获得超疏水表面,且具有较好的化学稳定性和有效的油水分离能力,具有很广的应用前景。     

基于磁控溅射–氟化改性的新型ZnO/SiO2复合超疏水涂层防冰性能研究

目的 通过磁控溅射及表面氟化修饰不同纳米尺度的氧化锌(ZnO)和二氧化硅(SiO2)粒子,获得一种新型的ZnO/SiO2复合超疏水涂层。方法 研究不同氟化修饰剂对新型ZnO/SiO2复合超疏水涂层防冰性能的影响。采用光学接触角测量仪、扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)对涂层的水接触角(CA)、滚动角(SA)、微观膜层形貌以及氟化前后化学键的改变进行分析。采用自制结冰装置及数显拉力计对涂层在高湿低温环境中的结冰时间和冰层在涂层表面的黏附强度进行测试。结果 磁控溅射ZnO和SiO2纳米粒子复合制膜得到的粒子排列状态规则,并且两种不同尺寸粒子的掺混使得涂层表面呈多簇状微纳米二级结构,能够很好地降低液滴与表面的附着力;分别选用十七氟癸基三乙氧基硅烷(FAS-17)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷(G502)、十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMS)4种氟化修饰剂对涂层表面进行整体修饰,其中,FAS-17修饰后的涂层表面防冰效果最好,其液–气复合接触面积比例达到了94.38%,接触角和滚动角达到最佳,分别为164.7°和3°,且冰在表面的黏附强度降低至3.8 kPa;在湿度为60%,温度分别为–2、–10及–20 ℃的条件下,涂层延缓结冰时间分别为244 6、160 4、137 s。结论 采用不同纳米尺度的ZnO和SiO2纳米粒子,经过磁控溅射和整体表面改性可以得到簇状结构的新型复合超疏水涂层。通过FAS-17乙醇溶液进行表面氟化修饰,更加显著地提高了涂层的超疏水性能。     

超疏水低红外发射率复合涂层的制备及性能表征

目的制备得到具有超疏水特性的低红外发射率涂层。方法以纳米SiO_2为微纳结构改性剂,聚二甲基硅氧烷(PDMS)为树脂基体,Al粉为功能颜料,采用刮涂法制备得到了多种类型的改性和非改性PDMS/Al复合涂层。分析探讨了PDMS和Al粉配比、纳米SiO_2添加量及表面微纳结构层对涂层性能的影响规律及成因。结果 PDMS和Al粉配比对涂层发射率和光泽度影响明显,当PDMS和Al粉配比为6∶4时,涂层的发射率和光泽度可分别低至0.265和10.3,涂层的水接触角可达到109.5°,要明显高于传统树脂基低发射率涂层。添加纳米SiO_2可使涂层的粗糙度上升明显,从而使涂层的疏水性显著增强。当纳米SiO_2质量分数为8%时,涂层的水接触角可增大到130°,涂层的发射率和光泽度仍可低至0.330和9.8。PDMS/SiO_2微纳结构层可在PDMS/Al复合涂层表面形成明显的乳突状微纳结构,从而使涂层实现超疏水特性。当PDMS和纳米SiO_2配比为7∶3时,改性后的涂层水接触角可高达156°,同时具有相对较低的发射率(0.661)和极低的光泽度(2.1)。结论在PDMS/Al复合涂层表面构筑一定厚度的微纳结构层,可实现该涂层超疏水、低发射率和低光泽的兼容。     

硅橡胶粉末/环氧树脂超疏水涂层的制备及其在架空导线抗结冰中的应用*

架空输电线路导线在服役过程中经常会受到覆冰影响,引发安全事故,我国是发生输电线路覆冰事故较多的国家之一, 为此针对架空导线开展抗结冰工作对保障电力系统安全运行具有重要意义。利用废旧硅橡胶复合绝缘子伞裙制备一种超疏水粉末,与环氧树脂按一定比例喷涂在玻璃基底上制备超疏水表面,其水接触角可达 154°。将制备的粉末喷涂在钢芯铝绞线表面上,对其自清洁、抗结冰及表面耐久性进行测试。研究结果表明：在低温环境下具有硅橡胶粉末 / 环氧树脂超疏水涂层的导线相比原始导线具有更好的抗结冰性能,在相同环境温度下,相同时间内其结冰量只有原始导线的一半,可以有效延缓结冰,且在光照、腐蚀、反复除冰的环境下,也具有抗冰耐久性。该制备方法简单可行、效率高,能实现废旧材料的循环利用, 可进一步应用于生产实践。     

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。     

基于超疏水和卤代过氧化物酶活性协同防污的氧化铈纳米涂层研究

目的 将特定防污功能的纳米粒子引入到环氧复合涂料中,制备具有超疏水和卤代过氧化物酶活性协同防污的氧化铈纳米涂层。方法 以环氧树脂和羟基封端的聚二甲基硅氧烷为基质,球形氧化铈（CeO₂）纳米颗粒为填料,采用溶液共混的制备方式,通过空气喷涂法构建氧化铈超疏水纳米涂层。借助X射线衍射仪、扫描电子显微镜、接触角测试仪等设备对涂层进行表征,并以典型海洋污损生物芽孢杆菌和三角褐指藻为研究对象分析涂层的防污性能。结果 当涂层中纳米氧化铈的质量分数为55%时,氧化铈纳米涂层具有超疏水特性,接触角达到153°,接触角滞后低至3°。在防污性能方面,相比于环氧复合涂层,超疏水氧化铈纳米涂层对三角褐指藻和芽孢杆菌的防污率分别为97.5%和97.3%。在存在过氧化氢和溴化铵的条件下,失去疏水性能的氧化铈涂层通过卤代过氧化物酶的活性减少了96.2%的三角褐指藻和96.8%的芽孢杆菌贴附。结论 该体系所构建的纳米涂层在初期可以利用其超疏水性能防污,后期利用其卤代过氧化物酶的活性防污,实现防污的长效性。     

超防垢复合涂料的制备及其特性研究

目的 表面结垢行为是影响海上油田石油开采的重要因素之一,为了解决这一问题,设计并研制了一种可大规模喷涂的超防垢复合涂料。方法 以超疏水二氧化硅纳米粉、硅微粉、醋酸丁酯和丙烯酸树脂为主要原料,采用两步喷涂工艺技术制备具有超疏热水特性的超防垢复合涂料,通过接触角测量仪、延时拍摄手段和沸水蒸发结垢实验分别评价了涂层的润湿性、耐磨性、自清洁特性、防垢防腐特性,并且借助场发射扫描电子显微镜和体式显微镜对其表面形貌的变化进行表征。结果 将该复合涂层喷涂于N80钢片表面后,其表面上95℃热水的接触角大于150°、滚动角小于10°。该复合涂层在经砂纸打磨70周期或10h的水冲实验后,接触角大于150°,说明表面仍保持了优异的疏水性能。沸水蒸发结垢实验表明,与未处理的N80钢片相比,该复合涂层在沸水结垢实验50 h后,表面无明显结垢现象,阻垢率约为98.00%,且仍然保持优异的超疏热水特性。在经王水浸泡60 min和1 mol/L氢氧化钠溶液浸泡12 h后,接触角大于150°,说明表面具有优异的抗化学腐蚀性能。结论 研制了一种超防垢复合涂料,喷涂于N80钢片后获得的超疏热水涂层具有优异的疏热水特性、高温...     

聚四氟乙烯/Al3O2-TiO2复合涂层的制备及其疏水性能研究

目的 在铝合金表面制备耐磨、耐蚀、高结合强度的疏水涂层。方法 采用大气等离子喷涂(APS)在铝合金基体上制备AT(Al3O2-Ti O2)涂层,在AT涂层上采用溶胶-凝胶法制备聚四氟乙烯(PTFE)面层,借助扫描电子显微镜、X射线衍射仪、3D形貌仪、接触角测试仪等仪器对涂层的显微结构、成分、粗糙度、接触角进行表征。结果 喷距为120 mm、电流为680 A、送粉量为18 g/min的条件下,实心AT涂层和空心AT涂层表面粗糙度为6.99μm、6.13μm,孔隙率为5.88%、15.18%,硬度为945.82HV0.3、768.1HV0.3,与基体的结合强度为32 MPa、28 MPa,实心AT涂层与PTFE涂层的结合强度为19 MPa。实心PTFE/AT复合涂层与水的静态接触角最大可达130.9°,PTFE涂层表面含有氟化物和硅化物。结论 实心粉末AT涂层表面粗糙度较大,综合性能优于空心粉末AT涂层,因此,将实心AT涂层作为复合涂层的底层。实心PTFE/AT复合涂层具有与荷叶表面相仿的微纳米二元粗糙结构,具有良好的疏水性能,疏水性能与表面含氟物质的疏水基团以及低表面能的二元粗糙结构相关。     

面向工业设计的塑料表面铝涂层的结合强度

目的采用电弧喷涂方法在环氧树脂和ABS塑料表面喷涂铝涂层,研究涂层结合强度的影响因素。方法第一组试验是塑料表面喷砂后,喷涂铝涂层;第二组是塑料表面喷砂后,涂覆一层高强度环氧树脂结构胶,再喷涂铝涂层。选择喷涂气体压力、喷涂电流和喷涂距离三因素进行正交试验,采用粘结拉伸法测试结合强度,并用照相法测量铝液和环氧树脂塑料、Q235钢的接触角。结果本试验条件下,二种塑料电弧喷涂铝涂层结合强度的影响因素主次顺序为:空气压力喷涂电流喷涂距离。最优方案是:喷涂气体压力为0.7 MPa,喷涂电流为220 A,喷涂距离为160 mm。未涂覆高强度环氧树脂结构胶的涂层,结合强度最大不超过3 MPa;涂覆高强度环氧树脂结构胶的涂层,结合强度达到近20 MPa。铝液和Q235钢的接触角是45°,和环氧树脂塑料的接触角是135°。结论环氧树脂和ABS塑料表面电弧喷涂铝涂层的结合强度低的主要原因是铝液和它们之间的润湿性差。涂覆高强度环氧树脂结构胶后,喷涂工艺参数对涂层的结合强度影响不明显,结合强度受控于环氧树脂结构胶的粘接作用,使涂层的结合强度显著提高。     

超音速火焰喷涂Al-Cu-Cr准晶涂层表面不粘性和耐磨性的研究

以普通45#钢为基体,分别以FeAl晶体粉末和Al_(65)Cu_(20)Cr_(15)准晶粉末为热喷涂材料,采用超音速火焰喷涂(HVOF)方法制备涂层.使用金相显微镜和接触角测量仪分别对两种涂层的扁平粒子形态和表面润湿性进行表征,利用X射线衍射仪对准晶涂层的相结构进行分析.分别使用MH-6维氏硬度仪和MMW-1立式万能摩擦磨损试验机测量涂层的显微硬度HV和摩擦系数及磨损失重.结果表明:喷涂准晶涂层与原始粉末的相组成基本相同,都包括主相二十面体准晶I-Al_(65)Cu_(24)Cr_(11),和另外3种含量极少的晶体相,即θ-Al_(13)Cr_2(即Al_(83)Cu_4Cr_(13))、α-Al_(69)Cu_(18)Cr_(13)和ε-Al_2Cu_3;但是与原始准晶粉末相比,HVOF涂层中准晶相I-Al_(65)Cu_(24)Cr_(11)的体积含量相对减少,而另外3种晶体相含量相对增加.相同试验条件下,同FeAl为代表的常规金属晶体涂层相比,超音速火焰喷涂Al-Cu-Cr准晶涂层具有更低的摩擦系数和磨损量,而且对蒸馏水具有更大的接触角,这说明后者的减摩耐磨性能和对蒸馏水的不粘性优于前者.     

耐久超疏水涂层的制备及其防冰防腐自清洁性能

超疏水涂层在防结冰、防腐蚀等领域具有广阔的应用前景,然而目前仍无法大规模制备稳定的超疏水表面。提出一种操作简单、成本低廉的方法,在铝合金基材上通过一步喷涂法制备出耐磨超疏水涂层。首先在铝合金基体表面涂覆环氧树脂粘结层,待其达到半固化状态时,喷涂硬脂酸修饰的微米 SiO₂ 和纳米 TiO₂ 粒子混合悬浮液,固化后该涂层与水的接触角为~ 155.4°,滚动角为~3°,实现了超疏水性。试验结果表明,该超疏水涂层具有较好的耐磨耐久性,在胶带剥离、砂纸摩擦、 紫外光长时间照射以及不同 pH 液滴等多种测试条件下仍具有良好的超疏水性。此外,此超疏水涂层在极端寒冷的天气下可以显著延缓水的冻结时间。环氧树脂和疏水颗粒的协同防腐作用使超疏水涂层在海水中表现出良好的防腐蚀性能。所制备的超疏水涂层还具有优异的自清洁特性,且因 TiO₂ 粒子本身的光降解性能,该涂层还可用于光降解污染物和净化水质。这种简单、环保的超疏水涂层在防结冰、防腐蚀等方面具有潜在的应用前景,可为克服传统超疏水表面使用耐久性差的问题提供解决思路。     

喷涂工艺对超音速火焰喷涂Al-Cu-Fe-Si准晶合金涂层性能的影响

目的使用活性燃烧高速燃气喷涂(AC-HVAF)方法制备高质量的Al-Cu-Fe-Si准晶涂层,研究喷涂工艺对涂层性能的影响。方法采用气雾化Al-Cu-Fe-Si准晶合金粉末,利用AK02T型AC-HVAF喷涂系统制备Al-Cu-Fe-Si准晶涂层材料。通过X射线衍射及扫描电镜观察分析准晶合金粉末和涂层的组织与结构,通过电化学工作站、显微硬度计和接触角测试仪等手段分析准晶合金涂层的耐蚀性、显微硬度及抗粘性能。结果对气雾化准晶Al-Cu-Fe-Si合金粉末的研究发现,冷却速率显著影响准晶合金粉末的组织,在冷却速率较快的粉末中形成胞状晶组织,准晶I相含量较高。对准晶合金涂层进行热处理,高温退火显著提高了涂层的硬度,950℃退火12 h后,硬度值达到(724±153)HV0.1。分别对准晶合金涂层和基体45~#钢的接触角进行测量,准晶合金涂层的接触角最大为95°,而45~#钢的仅为79°。通过电化学工作站测试比较涂层的耐蚀性,发现在3.5%(质量分数)的Na Cl溶液中,喷涂在45~#钢和5052铝合金基体上的涂层腐蚀电流密度J_(corr)分别为6.8×10~(-6),2.0×10~(-7)A/cm~2。结论不同粒径的气雾化准晶合金粉末的相组成不同,选择合适的粒径是保证铝基准晶合金涂层质量的前提。对涂层进行合适的热处理可以有效地提高涂层的显微硬度,铝基准晶合金涂层的接触角较45~#钢的高,提高了基体的抗粘性。不同基体上制备的准晶合金涂层的耐蚀性有很大差异,5052铝合金基体上的准晶涂层耐蚀性优于喷涂在45~#钢基体上的涂层。     

超高分子量聚乙烯/石墨烯复合涂层制备及其在海洋装备防护中的应用

目的采用热喷涂技术制备涂层,通过材料选择和结构设计,有效延缓海水对金属基底的腐蚀和冲蚀,并抑制海洋材料表面生物污损等对海洋材料的严重破坏。方法采用高能球磨法制备了聚乙烯-石墨烯(UHMWPE-graphene)复合粉末,用火焰喷涂技术在E235B碳钢基底表面制备UHMWPE和UHMWPE-graphene复合涂层。通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜对原始粉末和涂层微观组织进行表征,并通过摩擦磨损实验、电化学测试、生物污损检测,分别评价涂层耐海水冲刷性能、耐腐蚀性能以及抗生物污损特性。结果相对于碳钢和UHMWPE涂层,UHMWPE-graphene复合涂层的腐蚀电位提高和腐蚀电流减小,预示着样品的耐腐蚀特性增强。由于UHMWPE-graphene复合涂层呈现疏水性以及更低的表面能,使其表现出优异的抵抗海藻贴附的能力。添加石墨烯的复合涂层的摩擦系数和磨损率比纯UHMWPE涂层均有一定程度的降低。添加石墨烯质量分数为0.5%时,涂层的摩擦系数由0.236降低到0.195,且磨损率下降了约26%。结论利用火焰热喷涂技术在碳钢表面成功制备了组织致密的UHMWPE涂层、UHMWPE-0.2%graphene和UHMWPE-0.5%graphene复合涂层。石墨烯的添加,能够有效提高涂层在模拟海洋环境中的耐蚀性、抗生物污损性及耐磨性。     

Deposition and characterization of flame-sprayed aluminum on cured glass and basalt fiber-reinforced epoxy tubes

An oxy-acetylene flame spray torch was used to deposit thin layers of aluminum onto cured glass and basalt fiber-reinforced epoxy tubes. The composite specimens were fabricated by filament winding. Surface coatings embedded in composite laminates were produced. The composite substrates were grit blasted to promote adhesion of the molten aluminum particles. It was found that adhesion increased significantly when the composite substrate was lightly grit blasted, with no adhesion on smooth composite surfaces. The number of passes of the flame spray torch was varied to change the coating thickness and uniformity over the substrate. The electrical resistance of the coatings was measured to assess the suitability of a coating as a conductor. It was found that uniform, electrically conductive coatings were produced with a minimum of two torch passes. Optical images were captured to characterize the coating microstructure and thickness. This investigation did not reveal any visible evidence of damage to the composite substrate. To assess possible degradation effects from the grit blasting and flame spraying processes, the tube specimens were subjected to mechanical testing by applying internal pressurization with hydraulic oil. The tests indicated that the grit blasting and flame spraying processes must be carefully executed to mitigate degradation of the strength of the composite material substrate.     

WC-Co复合粉末的原位合成及于硬质合金涂层制备中的应用

目的为解决超细/纳米WC-Co热喷涂时易于脱碳等瓶颈问题,制备具有高的硬度、断裂韧性、耐磨性和表面质量等优异综合性能的超细及纳米结构硬质合金涂层,并推广其在工业领域中的应用。方法以原位合成技术批量制备的超细/纳米WC-Co复合粉末为原料,利用团聚造粒技术制备得到具有高球形度和致密性,并保持原有超细/纳米结构的喷涂喂料粉末,利用超音速火焰喷涂工艺制备低脱碳、高致密的超细结构WC基涂层。结果降低喂料粉末孔隙度可有效减少涂层中W2C等脱碳相的含量,在优化工艺下制备的超细结构WC基涂层的硬度达到1450HV0.3以上,韧性相对于常规微米结构涂层提高40%以上,在两种载荷和磨料条件下均表现出更高的耐磨性。结论利用原位反应技术批量合成的超细/纳米WC-Co复合粉制备的硬质合金涂层具有优良的综合性能,可应用于对涂层的硬度、耐磨性、强韧性配合和表面质量有较高要求的工况。     

纳米WC对热喷涂涂层耐磨性的影响

在喷涂材料Fe/WC中添加少量的纳米Ni、纳米CeO2以及不同含量的纳米WC,采用亚音速火焰喷涂方法在Q235钢上制备涂层,通过对涂层组织及性能的检测,探讨纳米WC对涂层显微组织、显微硬度以及耐磨性的影响。结果表明,添加适量的纳米WC可以改善涂层组织,提高涂层的显微硬度及其耐磨性。