超疏水钛合金表面制备及其抗海洋生物附着性能

为提高钛合金抗海洋生物附着性能,采用激光刻蚀技术在Ti6Al4V合金表面构建不同间距的微米级点阵结构,利用聚合物基纳米复合材料构建微/纳双层结构,制备超疏水Ti6Al4V合金表面。用光学显微镜和扫描电镜表征其形貌;用接触角测量仪测量试样的表面接触角;用浅海挂板的方法测试试样的抗海洋生物附着污损性能。结果表明,具有单一微结构的Ti6Al4V合金表面为疏水表面。随着点阵间距的减小,接触角增大。当间距为50μm时,接触角可达131.8o,但试样的表面滚动角较大,将试样竖直甚至翻转,水滴都不滚落;具有微/纳双层结构的Ti6Al4V合金表面为超疏水表面,且随着点阵间距的减小接触角增大,滚动角减小。当间距为50μm时,接触角达163.8o,滚动角仅为1.89o。具有微/纳双层结构的超疏水Ti6Al4V合金表面抗海洋生物附着污损性能显著优于抛光Ti6Al4V合金表面及具有单一微结构的Ti6Al4V合金表面。     

表面膜对点阵结构Ti6Al4V表面超疏水特性的影响

采用激光加工在Ti6Al4V试样表面加工不同间距的点阵结构,采用自组装技术制备4种自组装分子膜。通过表面形貌和接触角的测量表征试样的表面特性。结果表明:通过激光点阵加工和沉积自组装分子膜,可显著增加Ti6Al4V试样的水接触角。长链分子FDTS、FOTS和OTS制备的自组装分子膜,使Ti6Al4V试样的接触角均大于150?,形成超疏水表面,其中沉积FDTS自组装分子膜时,试样的接触角最大,可达164.5?。沉积短链分子MPS自组装分子膜时,只有当激光加工间距为50μm时,试样方可形成超疏水表面;间距增大后,试样表面变成疏水表面。沉积4种自组装分子膜时,试样的接触角均随激光点阵加工间距的增大而减小。     

超疏水钛合金表面的制备及其摩擦学性能

为研究表面形貌和润湿性对表面摩擦学性能的影响,采用激光加工技术在Ti6Al4V表面加工间距为100μm的网格和点阵微结构,将Si O2纳米粒子涂覆在微结构上构建微纳结构。采用接触角测量仪测量试样的表面接触角和滚动角,采用摩擦磨损实验机(UMT)测试摩擦学性能,采用LEXT OLS4000型3D激光共聚焦显微镜进行表面形貌和磨痕表征。结果表明:在具有微结构的表面涂覆Si O2可制备出具有微纳结构的超疏水Ti6Al4V表面,且网格表面比点阵表面更难以润湿。表面越难以润湿,试样的比磨损率越低,点阵和网格超疏水表面分别将比磨损率降低32.3%和53.8%,且摩擦因数曲线的波动幅度和数值均减小。且具有微纳结构的超疏水表面可显著提高Ti6Al4V的摩擦学性能。     

硅橡胶超疏水涂层的撒粉法制备

当前在橡胶基体上构建超疏水表面的方法大多较为复杂,不易制备,研究一种简单方法是十分必要的。以高温硫化硅橡胶(HTV)为基体,把基体打磨后在其表面覆盖一层聚二甲基硅氧烷(PDMS),采用表面撒粉法将二氧化硅(SiO₂)粉末均匀撒在未固化PDMS上,固化后制得HTV/PDMS-SiO₂超疏水表面。采用扫描电子显微镜、三维形貌及接触角测量仪对硅橡胶超疏水涂层的微观形貌和疏水特性进行分析。结果表明：HTV/PDMS-SiO₂超疏水表面构建出许多微纳突起粗糙结构,表面粗糙度Sa达到35.695μm;HTV/PDMS-SiO₂超疏水表面的静态接触角平均值达154.5°,相较于原始硅橡胶平均静态接触角112.4°提升了37.5%;液滴体积一定时,液滴接触到超疏水表面后的铺展直径和第一次弹起高度随着滴落高度的增大而增大;液滴滴落高度一定时,液滴铺展直径和初次弹起高度与液滴体积成正比。利用PDMS固化过程结合撒粉工艺构建超疏水微纳结构,可为硅橡胶超疏水表面研究提供一种简单、低成本方案。     

超疏水镁合金表面制备及耐生物腐蚀性

采用激光加工结合构筑纳米结构,并涂覆低表面能物质的方法制备了镁合金超疏水表面。使用光学显微镜和扫描电镜观察表面形貌,接触角测量仪测量超疏水表面的静态接触角,电化学分析方法测试试样在模拟生物体液中的腐蚀性能。结果表明:激光加工参数对超疏水表面形貌和性能具有重要的影响。当加工电流为13 A,点阵间距为50μm时,表面微/纳米结构均匀,静态接触角达到最大值161.7°。超疏水试样的腐蚀电位增加,极化电阻增大,腐蚀电流降低,腐蚀速率降低31%,有效提高了WE43镁合金的耐生物体液腐蚀性能。     

超疏水钛合金表面在人工海水中的摩擦性能

为提高钛合金在海水中的摩擦性能,采用激光加工技术分别制备具有网格和点阵微结构的超疏水Ti6Al4V合金表面.采用HSR-2M高速往复摩擦试验机研究其在人工海水介质中的摩擦学行为,并与水介质比较.结果表明,超疏水Ti6Al4V合金表面的摩擦系数和磨损量(体积)均显著小于Ti6Al4V基体.海水介质中,与空白样相比,点阵和网格表面的摩擦系数分别减小了17.8%和11.7%,磨损量分别减小了36.8%和57.5%.超疏水Ti6Al4V合金表面在海水介质中的摩擦系数小于水介质中,磨损量大于水介质中.超疏水钛合金表面的制备显著提高了钛合金在海水中的摩擦性能.     

表面形貌和润湿性对钛合金摩擦学性能的影响

为提高钛合金的摩擦学性能,采用激光加工技术在Ti6Al4V合金表面分别构建间距为100和300μm的网格和点阵微结构,将SiO_2纳米粒子涂覆在微结构上制备微纳结构。用接触角测量仪测量试样的表面接触角和滚动角;用LEXT OLS4000 3D激光共聚焦显微镜进行表面形貌和磨痕表征,采用多功能摩擦磨损试验机(UMT)进行摩擦学性能测试。结果表明,具有微结构的表面是符合Wenzel状态的疏水表面,涂覆SiO_2具有微纳结构的表面是符合Cassie状态的超疏水表面。微结构间距100μm的表面的疏水性强于300μm,网格表面疏水性强于点阵。随表面疏水性能的增强,磨痕深度变浅。在50 m N载荷条件下,涂覆SiO_2表面的摩擦系数约为激光加工表面的0.6倍,网格表面的摩擦系数约为点阵的0.8倍。在5 N载荷条件下,涂覆SiO_2减小摩擦系数曲线的波动性。     

微纳超疏水钛合金表面的制备及其性能研究

目的 制备超疏水自清洁的Ti6Al4V合金表面。方法 首先使用飞秒激光在Ti6Al4V合金表面预制备微米级结构,然后将预制备的样品置于1.0 mol/L的氢氧化钠溶液中,在超声水浴状态下进行电化学去合金,获得微纳米复合结构。经表面改性后,得到微纳超疏水钛合金表面。结果 经复合制备的微纳超疏水表面结构由微米级的梯形凸柱阵列,以及通过电化学去合金形成的三维纳米孔洞骨架和沉积的微米或亚微米金属氧化物组成。经过表面改性后,该微纳复合结构表面呈现优异的超疏水性,其接触角可达162.5°,滚动角低至3.4°。自清洁性能测试结果表明,该微纳超疏水钛合金表面展现出优异的低黏附性和自清洁性,1滴水对表面的清洁效率达到99.8%。激光加工参数与静态水接触角之间的关系表明,接触角与扫描间距呈负相关,与能量密度、重复次数呈正相关。结论 飞秒激光结合电化学去合金方法制备的具有微纳结构的钛合金表面呈现出优异的超疏水自清洁性能,通过改变激光加工参数能够有效增大表面的静态水接触角,为后续研究提供了一定参考。     

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。     

基于激光加工和自组装技术改性处理铝镁合金的表面润湿性

为制备具有更高机械强度和更长使用寿命的超疏水金属表面,利用激光加工技术在铝镁合金表面构建出圆台凸起、圆台凹坑和正四棱台3种微结构。利用自组装技术在具有以上3种微结构的铝镁合金表面沉积自组装分子膜(SAMs),采用扫描电镜、形貌分析仪和接触角测量仪对成膜后的铝镁合金表面进行形貌和接触角的表征与测量。结果表明:沉积疏水的FDTS和OTS自组装分子膜时,接触角随微结构间距的增大而减小,随微结构高度的增大而增大,最大接触角达156°,形成超疏水铝镁合金表面;沉积亲水的APS自组装分子膜时,接触角随微结构间距的增大而增大,随微结构高度的增大而减小,最小接触角接近0°,形成超亲水铝镁合金表面;激光加工和自组装技术可以大幅度改变铝镁合金的表面润湿性。     

表面粗糙度对硅橡胶材料表面超疏水性的影响

采用一种简单的方法制备出了硅橡胶超疏水性表面;将模具内表面做成一定的粗糙度;按照常规成型工艺,将液体硅橡胶浇注在模具内使其固化,待固化完毕后脱去模具,得到不同粗糙度的表面.经过接触角测量仪测定和扫描电子显微镜分析,结果表明:当硅橡胶表面粗糙度Ra=6.63 μm时,在其表面形成了类似于荷叶的乳突结构;在乳突表面还有亚微米级的小颗粒存在,形成了微米亚微米两级的粗糙结构,材料表面与水的静态接触角为153.5°,滚动角为8°,材料具有超疏水性;当硅橡胶表面粗糙度 Ra<6.63 μm时,材料表面的静态接触角随着表面粗糙度的增加而增加,当Ra=6.63 μm,静态接触角出现最大值153.5°.当表面粗糙度Ra>6.63 μm,材料表面的静态接触角随着表面粗糙度的增加而减小.     

射频等离子体改性PTFE表面液滴撞击接触起电对润湿性的影响∗

液滴撞击固体表面是自然界的常见现象，研究超疏水表面的液滴撞击对其润湿性的影响，对于超疏水性材料的潜在应用具有重要的科学意义。采用 3、10、20 min 氧等离子体处理（OPT）和 1 min 八氟环丁烷等离子体聚合沉积（PPD）的等离子体方法改性聚四氟乙烯（PTFE）表面，获得具有不同尺寸和间距的微 / 纳米锥的超疏水 PTFE 表面，研究射频等离子体改性 PTFE 表面的液滴静态接触角、滚动角及液滴撞击动力学行为，分析在不同个数液滴撞击后 PTFE 表面的润湿性和液滴撞击行为变化，确定 PTFE 表面液滴撞击起电效应的影响机制。结果表明：通过 1~9 个液滴撞击后，PTFE 表面的静态接触角随撞击液滴数量增加而减小，导致静态接触角低于 150°；液滴滚动角随撞击液滴数量增加而增大，造成液滴滚动角高于 10°。 撞击液滴的接触时间随撞击液滴数量增加而增大，回弹系数随撞击液滴数量增加而减小。随撞击液滴数量增加，回弹液滴的正电荷和 PTFE 表面的负电压增大，PTFE 表面的负电荷对液滴产生强吸引作用，导致低粘附超疏水性被破坏。3 min OPT 和 1 min PPD 改性 PTFE 表面的纳米锥间距小，密度大，表面负电荷量增加明显，造成 PTFE 表面的疏水性降低的程度最显著。 研究结果可为改善超疏水稳定性的表面织构设计提供理论依据。     

Superhydrophobicity from composite nano/microstructures: Carbon fabrics coated with silica nanoparticles

This study demonstrates the hydrophobic coating of silica nanoparticles onto microscaled carbon fabrics (CFs) and investigates the superhydrophobic behavior of composite nano/microstructures. The two-tier composite surfaces are based on regularly ordered carbon fibers (8-10 µm in diameter) that are coated with SiO₂ nanoparticles with an average size of 300-500 nm. The microscale fiber is used here as the primary surface roughness, while the silica nanoparticles serve as the secondary roughness, mimicking the lotus leaf in nature. Increasing the density of silica on CFs showed significant effects on the enhancement of static contact angle, decrease of contact angle hysteresis, and superhydrophobic stability. The results can be attributed to the fact that the higher density of silica coating results in more tortuous three-phase contact line, thus facilitating the self-cleaning effect.     

类蝴蝶翅膀表面微纳结构的制备及其疏水性

在金属表面构筑微纳米粗糙结构后以低表面能物质修饰,可以获得超疏水的金属表面,对实现防水、防腐及表面自清洁等功能具有重要的意义。以钛片为基底,利用简单易行且低成本的喷砂-酸蚀法,对其进行粗糙化处理,并使用低表面能物质氟碳树脂进行表面改性,获得了超疏水性表面。测量了试样表面与蒸馏水的静态接触角,将试样置于空气、模拟海水、质量分数为3%的NaOH和HCl溶液中进行了耐环境测试,观察了试样表面的微观形貌。结果表明:在光滑的钛基底上用氟碳树脂修饰后,得到的疏水表面接触角仅为103°;而钛片表面经喷砂-酸蚀后,再利用氟碳树脂进行疏水化修饰,得到与水接触角为156°的超疏水表面。经表面粗糙化处理和低表面能物质修饰后得到的钛基底上形成了类蝴蝶翅膀表面微纳结构的蜂窝状超疏水表面,具有优异的耐环境性和良好的自清洁效果。     

水性超疏水复合涂料的制备及其机械稳定性

目的为了实现超疏水表面在实际生产生活中大规模应用,研制了一种具有大面积、低成本、可设计性和无有机溶剂等优点的水性超疏水涂料。方法以纳米级的气相二氧化硅和水性氟碳树脂为主要原料,以水为溶剂,通过氟硅烷疏水改性后获得了一种具有自清洁效应的超疏水涂料,借助场发射扫描电子显微镜、接触角测量仪、延时拍摄等手段对其进行了表征。结果该水性涂料可喷涂于各种软硬表面获得超疏水表面,其接触角均大于150°,滚动角均小于10°。水滴撞击实验表明,树脂增强的超疏水涂料经总体积为600 m L的连续水滴撞击后,其静态接触角依然大于150°,滚动角依然保持在10°以内。经砂纸打磨40周期后,水滴依然可以从其表面滚落。结论研制了一种以水为主要溶剂且价格低廉的水性超疏水涂料,将其喷涂于各种软、硬基底上均可获得均匀的超疏水涂层。该涂层还可以通过添加水性树脂来有效地增强其机械稳定性。     

超疏水结构对AZ91D镁合金微摩擦磨损性能的影响

目的 研究微/纳米复合超疏水结构的摩擦磨损机制,提高镁合金微摩擦磨损性能。方法 首先采用激光刻蚀获得微米结构,然后表面涂覆SiO2纳米颗粒,获得微/纳米复合结构,最后涂覆低表面能物质获得超疏水表面。用接触角测量仪测量超疏水表面的静态接触角,使用微摩擦磨损实验机分析超疏水表面的摩擦磨损性能,使用扫描电子显微镜观察表面磨痕形貌。结果 当载荷为1 N时,超疏水表面的摩擦系数约为0.04,基体表面约为0.06。随着载荷的增加,超疏水表面的摩擦系数逐渐与基体相近,并逐渐超过基体。随着时间的增加,超疏水表面的摩擦系数呈增加趋势,由0.04逐渐增加到0.08,基体试样没有明显的上升趋势。相同条件下,超疏水表面的磨痕宽度大于基体表面,但磨痕宽度的增大趋势小于基体表面。结论 微/纳米复合结构超疏水表面的摩擦磨损过程不同于光滑基体。超疏水表面的磨损首先发生于微/纳米凸起结构,之后发生于被微/纳米凸起填平的微米凹坑区,然后发生于激光加工热影响区表面,最后发生于镁合金基体。在所受载荷低于1~3 N时,超疏水表面微凸起结构能延缓超疏水表面摩擦磨损的发生,改善耐磨性能。