管线钢仿生疏水功能表面的制备与疏水性研究

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管线钢表面仿生超疏水性能在管道运输领域具有广泛的应用前景。管线钢主要应用于油气管道的加工制造,然而管道内表面受到油气等物质的腐蚀,影响管道的使用寿命。特别地,输油管道内壁易聚集蜡状有机物,流体在管道中的流动受其摩擦而使阻力增大,增加了输油所需的动力成本,因此管道防腐防污以及减小流体阻力的问题日益突出。通过在管线钢内表面上构建类似荷叶表面的仿生超疏水表面,使其具有疏水自洁功能,可以有效地解决以上问题。本文采用喷砂与化学刻蚀相结合的方法在X52管线钢表面制备出超疏水性能。结果显示,喷砂后的管线钢表面经过化学刻蚀后,表面形成微米级凹坑与纳米级台阶、点蚀坑相复合的结构。经过表面低能氟化处理后,得到与水接触角大于150。的超疏水管线钢表面。疏水管线钢表面与水接触角随着喷砂时间的延长呈现先增大后减小的趋势;并且在不同浓度盐酸刻蚀溶液下,随着刻蚀时间的延长也呈现先增大后减小的趋势。以管线钢表面与水接触角为评价标准,本论文确定出最佳的喷砂时间、盐酸浓度以及刻蚀时间的工艺参数。应用此工艺参数在管线钢表面制备出15μm-20μm凹坑与100nm-150nm乳突结构相结合的粗糙表面,经过表面低能化修饰后,得到与水接触角为156.4°的超疏水表面。分析得出,水滴与超疏水管线钢表面发生复合接触。管线钢表面构建的微-纳米粗糙结构中充满了空气,空气对水滴起到气垫作用,因此水滴位于基体与气体组成的复合界面上,基体与水滴接触面积小,表现出优良的疏水性能。
摘要第4-5页
Abstract第5-6页
第1章 绪论第10-28页
    1.1 表面超疏水研究意义第10-11页
    1.2 自然界中的超疏 现象第11-13页
    1.3 超疏水表面相关理论基础第13-23页
        1.3.1 基本概念第13-15页
        1.3.2 Young 方程和静态接触 角第15-16页
        1.3.3 实际表面润湿分析第16-20页
        1.3.4 接触角滞后第20-21页
        1.3.5 滚动角第21-23页
    1.4 金属基超疏水表面制备技术以及研究现状第23-25页
        1.4.1 化学刻蚀法第23-24页
        1.4.2 电化学沉积法第24页
        1.4.3 阳极氧化法第24-25页
        1.4.4 表面氧化法第25页
    1.5 本文主要研究内容第25-28页
第2章 试验材料、设备及方法第28-34页
    2.1 试验材料第28页
    2.2 管线钢疏水表面的制备第28-31页
        2.2.1 试样的制备第28-29页
        2.2.2 试样的喷砂处理第29-30页
        2.2.3 试样的化学刻蚀处理第30-31页
        2.2.4 氟化处理溶液的配制第31页
        2.2.5 管线钢表面氟化处理第31页
    2.3 疏水管线钢的性能表征第31-34页
        2.3.1 试样表面的微观形貌及化学成分分析第31页
        2.3.2 试样表面粗糙度的测定第31页
        2.3.3 试样表面静态接触角的测 定第31-32页
        2.3.4 试样表面显微硬度的测定第32页
        2.3.5 试样扫描电子图像的维 数分析第32-34页
第3章 喷砂法制备管线钢疏水表面第34-52页
    3.1 引言第34页
    3.2 表面喷砂处理机理第34-36页
    3.3 喷砂后管线钢表面分析第36-42页
        3.3.1 喷砂后管线钢表面微观形貌分析第36-40页
        3.3.2 喷砂对管线钢表面组织及性能的影响第40-42页
    3.4 表面低能氟化处理机理第42-43页
    3.5 氟化处理后喷砂试样的疏水性能第43-46页
    3.6 喷砂条件对管线钢疏水性能影响第46-51页
    3.7 本章小结第51-52页
第4章 喷砂-化学刻蚀方法制备管线钢超疏水表面第52-66页
    4.1 引言第52页
    4.2 化学刻蚀机理第52-53页
    4.3 化学刻蚀后管线钢表面微观形貌分析第53-58页
    4.4 化学刻蚀管线钢氟化处理后表面疏水特性第58-64页
        4.4.1 管线钢表面疏水性的表征第58-63页
        4.4.2 管线钢表面疏水性分析第63-64页
    4.5 本章小结第64-66页
第5章 结论第66-68页
参考文献第68-74页
致谢第74页
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