轻合金表面疏水/超疏水薄膜的制备及功能特性研究

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近年来,疏水、超疏水表面由于其特殊的表面浸润性,在各个领域得到广泛关注。在轻合金表面制备疏水、超疏水薄膜,对于提高金属的耐腐蚀性能和微摩擦学性能具有重要研究意义。本研究成功地在纯钛、纯铝和ZK60镁合金上制备疏水/超疏水表面,并分析了其浸润性、耐腐蚀性能和微摩擦学性能。主要研究成果如下:(1)利用热氧化和分子自组装方法在纯钛表面制备了耐酸耐碱耐磨的超疏水膜层。结果表明,热氧化后的纯钛表面形成一层具有微-纳米粗糙结构的氧化膜,在1000°C下热氧化1h后基底表面由亲水向超亲水转化,经过自组装分子膜修饰后实现超疏水,基底静态接触角从29.9°增大到166.0°,表面自由能从39.58mJ/m2降低到5.36mJ/m2,滚动角仅为2°。通过调整热氧化的工艺参数可以调控热氧化表面的形貌,进而实现表面低粘-高粘超疏水特性的转化。当氧化物以颗粒状形态出现时,表面展现高粘附超疏水特性;而当氧化物以珊瑚礁形态或树枝状形态出现时,表面展现出低粘附超疏水特性。该超疏水膜对pH值为1-14的腐蚀溶液液滴的静态接触角均大于150°,并且浸泡一定时间后仍然能保持超疏水。3.5%NaCl溶液中的动电位极化曲线结果显示,相较基底,超疏水膜的腐蚀电流从5.66×107A/cm2减小到5.10×109A/cm2,耐腐蚀性能显著提高。摩擦实验显示,热氧化后形成的阶梯状结构以及纳米级颗粒聚集而成的珊瑚礁结构复合形成微-纳米粗糙结构,使得超疏水膜具有良好的耐磨性。(2)通过Beck试剂位错刻蚀和有机镀膜技术在铝片表面成功制备了超疏水薄膜。三氮杂嗪类有机薄膜(ATP)的生长分为与基底结合初步成膜和单体聚合两个阶段。恒电流法制备ATP有机膜的最佳镀膜时间为5min,此时薄膜最均匀,膜厚最高,厚度为68.8nm,静态接触角最大,达到122.1°,此时获得的膜层表面自由能也最小,低至8.74mJ/m2。刻蚀15s后,铝片表面分布大小为100-300nm的凸台,形成高低错落的“迷宫”状结构。经ATP有机镀膜后,静态接触角高达161.1°,滚动角为1°,表面自由能低至0.17mJ/m2。超疏水膜能够更好的改善铝表面的微摩擦学性能。匀加载摩擦实验结果表明,刻蚀处理使基底的摩擦系数从0.65降为0.60,ATP有机镀膜处理的铝片摩擦系数为0.30,复合处理的超疏水膜摩擦系数为最低的0.18。往复摩擦实验表明,ATP有机薄膜的磨损寿命为50s,磨损前摩擦系数为0.30左右;超疏水膜磨损寿命为200s,磨损前摩擦系数为0.10。(3)在ZK60镁合金表面制备了颜色可控耐腐蚀性能良好的疏水膜层。ZK60镁合金随水热时间延长,表面透明的Mg(OH)2膜层不断增厚,表面颜色产生相应变化。水热后的镁合金表面产生了由纳米级和微米级片状结构组成花瓣状的粗糙结构。这使得随着水热时间的延长,ZK60镁合金表面变得越来越亲水,水热5h以上表面变成超亲水表面,静态接触角为0°,表面自由能也达到最高的74.86mJ/m2。经硬脂酸修饰后,表面疏水化,静态接触角最高为118.7°,表面自由能最低为7.15mJ/m2。ZK60镁合金经过水热处理后耐腐蚀性能得到提高,并且水热时间越长,膜层的耐腐蚀性能越好。在0.1mol/LNaCl溶液中,水热处理后的试样较基底镁合金的自腐蚀电流降低两个数量级,保护效率最高达到97.1%。经过硬脂酸修饰后,其耐腐蚀性能进一步提高,自腐蚀电流密度从2.73×105A/cm2降低到5.32×108A/cm2,保护效率达到99.8%。
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