金属基体上超疏水表面的制备研究

论文摘要

近几年来,与水的接触角大于150°的超疏水表面引起了极大的关注,因为它在自清洁材料、微流体装置以及生物材料等许多领域中有着极其重要的应用前景。这种表面的典型实例是自然界的荷叶表面,水滴在表面上可以自由滚动,当水滴(如雨水)滚动时可以将附着在表面上的灰尘等污染物带走,从而使表面保持清洁。研究发现,荷叶表面的超疏水性是由于表面上微米结构与纳米结构相结合的阶层结构以及表面上蜡状物的存在共同引起的。目前,通过剪裁表面的微细结构,人们已经制备出了许多人工超疏水表面,所用方法有:微机械加工法、激光或等离子体刻蚀法、物理或化学气相沉积法、阳极氧化法、电化学沉积法、溶胶—凝胶法、静电纺纱法、聚电解质交替沉积法等。然而,现有的这些方法大多需要特殊的加工设备或复杂的工艺过程。因此,发展简单方便的超疏水表面制备技术仍然是一项具有挑战性的研究课题。 在本论文中,我们报道了三种简单方便的超疏水表面制备技术,成功地在铝、铜、锌、钛等金属基体上获得了超疏水表面。 (1)采用位错刻蚀剂对铝、铜、锌基体表面进行化学刻蚀,然后用氟烷基硅烷对刻蚀后的表面进行疏水化处理。用扫描电镜和接触角测量等技术对表面进行了表征。结果表明,经化学刻蚀后,铝表面上产生了一个“迷宫”结构,铜表面上产生了一个由微米级凹坑和纳米级颗粒组成的阶层结构,锌表面上产生了一个由微米“山丘”和纳米凹槽组成的阶层结构。再经氟化处理后,这些表面都表现出超疏水性,与水的接触角大于150°,且滚动角小于10°(8μL水滴)。此外,文中引入的位错蚀坑概念对于在其它金属基体上制备超疏水表面也有着重要的意义。 (2)采用过硫酸钾和氢氧化钾的混合溶液对铜基体进行表面氧化,然后用氟烷基硅烷对氧化后的表面进行疏水化处理。用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射、接触角测量等技术对表面进行了表征。结果表明,经氧化处理后,铜表面上形成了一层具有花朵状纳米结构的CuO膜。每朵纳米花由数十个长约2μm、宽约120nm、厚约12nm的CuO纳米片自组装而成。再经氟化处理后,CuO纳米花膜表现出超疏水性,与水的接触角达到约158°,滚动角约10°(5μL水滴)。此外,文中提出的纳米花生长机理为控制纳米材料的三维结构提供了一些新的认识。 (3)采用氢氟酸刻蚀和双氧水处理的两步过程在钛基体表面上建构粗糙结构,然后用氟烷基硅烷对表面进行疏水化处理。用扫描电镜、原子力显微镜、X射线衍射、接触

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 超疏水表面的理论基础、制备技术及其应用前景
• 1.1 超疏水表面的理论基础
• 1.1.1 静态接触角
• 1.1.2 接触角滞后
• 1.1.3 水滴在表面上的滚（滑）动性
• 1.1.4 两种模型表面的润湿性
• 1.2 超疏水表面的制备技术
• 1.2.1 机械加工法
• 1.2.2 使用了光刻技术的微加工法
• 1.2.3 激光刻蚀法
• 1.2.4 等离子体刻蚀法
• 1.2.5 物理气相沉积法
• 1.2.6 化学气相沉积法
• 1.2.7 电化学方法
• 1.2.8 溶胶-凝胶法
• 1.2.9 聚合物溶液浇注法
• 1.2.10 静电纺纱法
• 1.2.11 聚电解质交替沉积法
• 1.2.12 纳米管（棒）阵列法
• 1.2.13 添加了颗粒填料的聚合物溶液涂层法
• 1.2.14 采用了多孔材料作基体的方法
• 1.2.15 其它方法
• 1.3 超疏水表面技术中存在的问题、应用前景以及最新发展动向
• 参考文献
• 2 位错刻蚀法制备铝、铜和锌基超疏水表面
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验材料和试剂
• 2.2.2 试样的制备方法
• 2.2.3 试样的表征方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 位错蚀坑的原理
• 2.3.2 氟烷基硅烷对表面进行化学改性的机理
• 2.3.3 铝表面的微细结构与润湿性
• 2.3.4 铝表面上超疏水性的形成机理和水滴的静、动态行为分析
• 2.3.5 铜表面的微细结构与润湿性
• 2.3.6 铜表面上超疏水性的形成机理和水滴的静、动态行为分析
• 2.3.7 锌表面的微细结构与润湿性
• 2.3.8 锌表面上超疏水性的形成机理和水滴的静、动态行为分析
• 2.4 小结
• 参考文献
• 3 控制表面氧化法制备超疏水CuO纳米花膜
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验材料和试剂
• 3.2.2 试样的制备方法
• 3.2.3 试样的表征方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 CuO膜的微细结构
• 3.3.2 CuO纳米片的形成机理
• 3.3.3 CuO纳米花膜的生长和演化
• 3.3.4 CuO纳米花膜的形成机理
• 3.3.5 氟化处理后CuO膜表面的润湿性分析
• 3.4 小结
• 参考文献
• 4 化学刻蚀和控制表面氧化组合处理法制备具有双重粗糙度的钛基超疏水表面
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验材料和试剂
• 4.2.2 试样的制备方法
• 4.2.3 试样的表征方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 钛表面经氢氟酸刻蚀后的微细结构
• 4.3.2 钛表面经双氧水处理后的微细结构
• 4.3.3 钛表面经两步处理后（先氢氟酸刻蚀再双氧水处理）的微细结构
• 4.3.4 氟化处理后钛表面的润湿性分析
• 4.4 小结
• 参考文献
• 5 结论
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书