金属基底微纳二级结构超疏水表面的制备及其保持冷凝液滴超疏水性能的研究

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本文使用简单的化学刻蚀以及两步化学刻蚀制备超疏水表面技术,成功地在不锈钢和铝基体上获得了超疏水表面,并进一步考察了冷凝液滴在该表面的超疏水性能。采用化学刻蚀(Beck)和两步化学刻蚀(氢氟酸和盐酸)的方法在不锈钢基底上构筑了微纳二级结构,然后用氟硅烷-甲醇溶液进行表面氟化处理,制备出超疏水表面。采用接触角测量仪测量表面的接触角,考察表面的超疏水性,利用扫描电镜观察超疏水表面的微细结构。实验结果表明:经过Beck试剂刻蚀后,不锈钢表面上形成了微纳二级结构,经表面氟化处理后,接触角达到156。,进一步考察了不同的刻蚀时间对表面超疏水性的影响。经过氢氟酸和盐酸刻蚀后,不锈钢表面上具有了蜂窝状微米结构和纳米颗粒构成的微纳结构,经氟化处理后的表面其接触角最高达到159°,接触角滞后为5°。本实验采用L9(34)正交实验表进一步分析了氢氟酸浓度与刻蚀时间和盐酸浓度与刻蚀时间对表面疏水性能的影响,并制备出多种不锈钢超疏水表面。采用氢氟酸和盐酸两步化学刻蚀的方法在铝表面制备出了长方体状的纳米结构和由纳米结构堆集而成的微米结构,长方体纳米结构均匀的分布于整个表面,经氟硅烷表面修饰后,铝表面的接触角大于160°,铝表面具有了超疏水性。最后通过表面冷凝实验研究了制备的表面在冷凝条件下的超疏水性能,结果表明:不同的结构表面保持的冷凝液滴超疏水状态的性能不尽相同,从液滴的形态和脱离表面的方式上大致可以分为三类:1)表面能够长时间保持Cassie态冷凝液滴,此时冷凝液滴很小,冷凝过程中液滴表面发生滚动和弹跳,脱离表面迅速,表面冷凝利用率高;2)冷凝液滴在表面上主要发生滚动,弹跳并不明显,液滴相对较大,表面利用率相对较低;3)保持低于10分钟滴状冷凝状态。冷凝初期出现不规则形状小液滴,液滴基本没有自发滚动,只是与周围的液滴发生合并,当液滴足够大时,在重力的作用下离开表面,最后表面由滴状冷凝状态逐渐转变为沟流。通过不同的刻蚀路径制备出的多种超疏水表面,其接触角相差不大,但是微观结构却大相径庭。通过观察、分析扫描电镜照片,分析认为纳米颗粒是决定表面保持冷凝液滴呈Cassie状态的重要因素,而纳米颗粒的尺度和分布决定了液滴脱离表面的方式。
摘要第4-5页
Abstract第5页
引言第9-11页
1 滴状冷凝研究和超疏水表面的制备第11-32页
    1.1 冷凝传热传质过程概述第11页
    1.2 蒸气冷凝形态判定第11-12页
    1.3 膜状冷凝和滴状冷凝第12页
        1.3.1 膜状冷凝第12页
        1.3.2 滴状冷凝第12页
    1.4 滴状冷凝传热机理第12-15页
        1.4.1 滴状冷凝形成的三种假说第12-13页
        1.4.2 液滴的生长与分布第13-14页
        1.4.3 液滴的脱落第14页
        1.4.4 滴状冷凝的传热模型第14页
        1.4.5 接触角对滴状冷凝的影响第14-15页
    1.5 滴状冷凝的实现方法第15-17页
        1.5.1 贵金属镀层第15-16页
        1.5.2 复合沉积法第16页
        1.5.3 化学气相沉积第16页
        1.5.4 离子束动态混合注入第16页
        1.5.5 分子自组装膜第16-17页
        1.5.6 等离子体表面聚合第17页
        1.5.7 表面涂覆有机促进剂第17页
    1.6 超疏水表面的理论基础第17-22页
        1.6.1 理想表面的静态接触角第17-18页
        1.6.2 非理想表面的接触角第18-20页
        1.6.3 接触角滞后第20页
        1.6.4 液滴在表面上的滚动角第20-22页
    1.7 制备超疏水表面的方法第22-25页
        1.7.1 低表面能物质的表面修饰第22页
        1.7.2 模板印刷法第22-23页
        1.7.3 模板挤出法第23页
        1.7.4 蒸汽诱导相分离法第23页
        1.7.5 溶胶-凝胶法第23-24页
        1.7.6 电纺法第24页
        1.7.7 激光和等离子体刻蚀法第24页
        1.7.8 气相沉积法第24-25页
        1.7.9 化学刻蚀法第25页
    1.8 超疏水表面应用前景以及制备存在的技术问题第25-26页
    1.9 超疏水表面微观结构对滴状冷凝的影响第26-29页
    1.10 氟硅烷将刻蚀后表面进行疏水化处理的原理第29-32页
2 化学刻蚀法制备金属超疏水表面第32-49页
    2.1 引言第32页
    2.2 实验材料与方法第32-33页
        2.2.1 超疏水表面的制备第32-33页
        2.2.2 超疏水表面的表征第33页
    2.3 结果与讨论第33-47页
        2.3.1 两步刻蚀法工艺参数对表面疏水性能的影响第33-39页
        2.3.2 不锈钢表面经两步处理后的表面形貌第39-42页
        2.3.3 两步刻蚀法制备的结构表面固体分率的估计第42页
        2.3.4 Beck试剂处理时间对表面疏水性的影响第42-45页
        2.3.5 两步刻蚀法制备铝超疏水表面第45-47页
    2.4 小结第47-49页
3 不同金属基底超疏水表面上的冷凝研究第49-64页
    3.1 引言第49页
    3.2 实验装置与方法第49-50页
    3.3 实验结果与讨论第50-60页
        3.3.1 冷凝液滴在不锈钢超疏水表面上滚动和弹跳的滴状冷凝第50-51页
        3.3.2 冷凝液滴在不锈钢超疏水表面上滚动合并的滴状冷凝第51-53页
        3.3.3 冷凝液滴在不锈钢超疏水表面上静态合并的滴状冷凝第53-55页
        3.3.4 未经处理的不锈钢表面上的冷凝第55-56页
        3.3.5 冷凝液滴在铝超疏水表面上滚动和弹跳的滴状冷凝第56-58页
        3.3.6 冷凝后金属表面滚动角的研究第58-60页
    3.4 小结第60-64页
结论第64-65页
参考文献第65-70页
攻读硕士学位期间发表学术论文情况第70-71页
致谢第71-72页
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