钛合金基体上极端润湿性表面的制备及其性能研究

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常见的超疏水、超亲水、超疏油和超亲油等极端润湿性表面在自清洁、流体减阻、防雾、防结冰、液体运输以及油水分离等方面具有巨大的应用价值。极端润湿性表面的研究不仅有助于深入了解表面润湿性与其微结构的关系,而且促进了表面科学的发展。钛合金由于密度小、比强度高、耐热耐腐蚀性好的优异性能而广泛用于航空、航天、潜艇以及石油工业等行业。因此,在钛合金基体上制备极端润湿性表面具有重要的研究意义。本论文主要研究了超疏水、超双疏和水下超疏油这三种极端润湿性表面的制备。首先,提出了在乙酸铅溶液中利用化学沉积法制备钛合金超疏水表面,该表面沉积的微米级突起和纳米级颗粒状结构类似于荷叶上表面的微观形貌。采用扫描电子显微镜、能谱分析仪、X射线衍射仪、粗糙度轮廓仪和接触角测量仪等表征了钛合金超疏水表面的微观形貌、化学组成、表面粗糙度以及动静态接触角随着乙酸铅溶液浸泡时间变化的规律,探究了钛合金超疏水表面的自清洁性并分析了其实现机理。其次,在钛合金超双疏表面制备方面,为了克服超疏水表面较差的疏油性,启发于二氧化钛纳米管的形成过程,提出了采用一步阳极氧化的方法在钛合金基体上构造出具有特殊凹角结构的微观形貌,经过低表面能物质修饰后,该钛合金表面获得超双疏性,对水和油类液体均具有极大的排斥性。表征了钛合金超双疏表面的润湿性、微观形貌以及化学组成,并分析了具有凹角结构的微观形貌的形成机理;通过设计稳定性和摩擦性实验探究了钛合金超双疏表面的耐久性、耐酸碱性和抗磨性。空气中的超双疏表面置于水下时变为亲油表面而失去超疏油性。对此,本文提出了在钛合金基体上通过电化学刻蚀的方法制备水下超疏油表面,该表面在空气中呈现超亲水性,置于水中时则表现为超疏油性,探究了该表面润湿性的转换原理以及水相中油滴与钛合金表面之间的粘附情况,制得的水下超疏油表面能够适应复杂苛刻的环境,可以用于钛合金表面的水下自清洁、防油污和防腐蚀。
摘要第2-3页
Abstract第3-4页
1 绪论第7-17页
    1.1 课题研究背景及意义第7-8页
    1.2 极端润湿性表面制备的常用方法第8-11页
    1.3 极端润湿性表面的基础理论第11-15页
        1.3.1 固体润湿性的基本概念第11-12页
        1.3.2 固体润湿性的理论模型第12-13页
        1.3.3 极端润湿性表面的实现机制第13-14页
        1.3.4 低表面能物质实现超疏液表面的机理第14-15页
    1.4 主要研究内容第15-17页
2 空气中自清洁性的钛合金超疏水表面制备第17-28页
    2.1 引言第17页
    2.2 制备装置与表征仪器第17-18页
        2.2.1 实验材料与装置第17页
        2.2.2 超疏水表面的表征仪器第17-18页
    2.3 超疏水表面的制备过程第18-19页
        2.3.1 表面微观结构的制备第18页
        2.3.2 低表面能修饰第18-19页
    2.4 钛合金超疏水表面的表征第19-24页
        2.4.1 表面润湿性第19-21页
        2.4.2 表面微观形貌第21-22页
        2.4.3 表面化学组成第22-24页
        2.4.4 表面微结构的形成机理第24页
    2.5 超疏水表面的耐久性和自清洁性分析第24-27页
    2.6 小结第27-28页
3 空气中钛合金超双疏表面的制备第28-39页
    3.1 引言第28页
    3.2 制备装置与表征仪器第28-30页
        3.2.1 实验材料与装置第28-29页
        3.2.2 超双疏表面的表征仪器第29-30页
    3.3 超双疏表面的制备过程第30页
        3.3.1 表面微观结构的制备第30页
        3.3.2 低表面能修饰第30页
    3.4 超双疏表面的表征第30-35页
        3.4.1 表面润湿性第30-31页
        3.4.2 表面微观形貌第31-33页
        3.4.3 表面化学组成第33-34页
        3.4.4 表面微结构的形成机理第34-35页
    3.5 超双疏表面的稳定性分析第35-37页
    3.6 小结第37-39页
4 水相中钛合金超疏油表面的制备第39-50页
    4.1 引言第39页
    4.2 制备装置与表征仪器第39-41页
        4.2.1 实验材料与装置第39-40页
        4.2.2 水下超疏油表面的表征仪器第40页
        4.2.3 钛合金基体水下超疏油表面的制备过程第40-41页
    4.3 钛合金基体水下超疏油表面的表征第41-47页
        4.3.1 表面润湿性第41-43页
        4.3.2 表面微观形貌和化学组成第43-46页
        4.3.3 表面微观结构的形成机理第46-47页
    4.4 水下超疏油表面的稳定性分析第47-48页
    4.5 小结第48-50页
结论第50-51页
参考文献第51-55页
攻读硕士学位期间发表学术论文情况第55-56页
致谢第56-58页
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