金属基体上低表面能表面的制备研究

论文摘要

由于低表面能表面具有自清洁、减阻减摩、抗玷污、抑制表面腐蚀和氧化等特性,因此它在自清洁材料、减阻材料以及生物医学材料等领域中有着广阔的应用前景。通常制备低表面能表面可以从两个方面着手:一方面用低表面能的物质修饰粗糙的表面;另一方面改变具有疏水性质的光滑表面的粗糙度。目前,根据已有的方法,人们已经成功地制备了人工低表面能表面,但这些方法大多需要特殊的加工设备或复杂的工艺过程。本文在分析低表面能表面制备技术发展现状的基础上,针对目前低表面能表面制备过程中存在的加工设备昂贵、工艺复杂、制备条件苛刻等因素而导致该技术无法大规模推广应用的问题,从理论分析和实验研究两方面着手,探索了一种新的低表面能表面制备方法,从而实现制备成本的降低和制备工艺的优化。本文主要工作如下:（1）通过固体表面能的计算方法-接触角法,推导出了固体表面能与接触角之间的关系曲线,从曲线的变化规律可知,固体的表面能总是随着接触角的增大而减小。分析了柱状表面和双重柱状表面对接触角的影响规律,结果表明:采用双重微观结构的途径来制备低表面能表面不仅有利于提高表面的接触角,而且能使制备工艺简化,提高表面的机械稳定性。（2）采用化学刻蚀和氟化处理的方法在金属铝和碳素钢基体上制备出低表面能表面,获得的表面具有超疏水的性质,水滴在表面上的接触角分别达到165.1°和159.3°。实验研究了盐酸浓度、化学刻蚀时间、烘烤温度以及氟硅烷醇溶液浸泡时间等工艺参数对低表面能表面疏水效果的影响规律;分析了金属表面微观结构的形成机理和表面疏水性的形成原因;确定了较优的工艺参数。（3）通过对铝基低表面能表面进行扫描电镜分析可知,低表面能表面具有有凸台和凹坑组成的表面微观结构,这种表面微观结构经过氟化修饰后,可以极大的提高接触角,对表面超疏水性的产生起到了关键的作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景和研究意义
• 1.2 低表面能表面制备技术国内外研究综述
• 1.3 低表面能表面技术中存在的问题
• 1.4 课题主要研究内容
• 2 低表面能表面的理论基础
• 2.1 荷叶效应
• 2.2 润湿的概念和类型
• 2.3 静态接触角
• 2.3.1 理想情况下的接触角—Young氏方程
• 2.3.2 水滴与粗糙固体表面接触的Wenzel方程
• 2.3.3 水滴与粗糙固体表面接触的Cassie方程
• 2.3.4 Wenzel模式和Cassie模式之间的关系
• 2.4 固体的表面能
• 2.4.1 固体的表面能及其测试方法
• 2.4.2 接触角法计算固体的表面能
• 2.4.3 固体表面能与接触角之间的关系
• 2.5 表面微观结构对接触角的影响
• 2.6 小结
• 3 金属铝基体上低表面能表面的制备及疏水性能分析
• 3.1 引言
• 3.2 金属刻蚀机理
• 3.3 氟硅烷对表面进行化学改性的机理
• 3.4 低表面能表面的制备实验
• 3.4.1 实验材料与装置
• 3.4.2 低表面能表面的制备
• 3.4.3 低表面能表面的表征
• 3.5 实验结果与讨论
• 3.5.1 制备条件对低表面能表面疏水性的影响
• 3.5.2 低表面能表面的微细结构及浸润性
• 3.5.3 铝基低表面能表面疏水性的形成分析
• 3.6 小结
• 4 碳素钢基体上低表面能表面的制备及疏水性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 碳素钢基体上低表面能表面的制备实验
• 4.2.1 实验材料与装置
• 4.2.2 低表面能表面的制备
• 4.2.3 低表面能表面的表征
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 制备条件对低表面能表面疏水性的影响
• 4.3.2 碳素钢基低表面能表面的浸润性
• 4.3.3 碳素钢基低表面能表面疏水性的形成分析
• 4.4 碳素钢与金属铝实验对比分析
• 4.5 小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢