微结构超疏水功能表面的激光制备及性能研究

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金属材料铝和铜的工业应用范围广是多种场合的基础材料,然而相对较差的耐磨损和耐腐蚀性能常常制约着它们的发展。传统处理方法(如表面镀层)虽然能有效的保护金属并减少其摩擦磨损,但操作过程复杂,与基体结合强度差并且易造成环境污染。近年来受到仿生学的启发超疏水表面逐渐走进人们的视野,其特殊的微纳结构可以储存大量的空气,有效阻止水分子渗入基材,对材料耐磨损和耐腐蚀性能的提高起到了积极的作用。本文主要以铝合金和黄铜作为基材,通过激光刻蚀制备出微纳米结构,结合硅烷化处理得到超疏水表面。系统的研究基材的表面结构与润湿性能、摩擦学性能、耐蚀性能之间的关系。主要研究成果如下:(1)通过调整激光加工参数在铝合金表面制备不同的微结构形貌。扫描速度低时,单位面积内的脉冲数量增加,形成连续且结构明显的微槽结构,随着扫描速度的增加激光光斑的重复率逐渐趋于负数,形成弹坑状的微结构。激光功率和扫描速度的同时变化对样品表面形貌的影响呈现出一定的规律性。激光加工的表面经过硬脂酸修饰形成超疏水表面,样品表面结构越粗糙超疏水性能越好。(2)通过紫外激光打标机在铝合金表面制备具有不同扫描间距的微槽结构,深入探讨了Cassie和Wenzel两种状态之间转换的临界条件,以及表面能的变化情况。当扫描间距为200μm左右时,液滴能够克服能量壁垒实现两种状态之间的转换。同时超疏水表面与光滑表面相比有较低的表面能,其疏水性能好。(3)研究铝合金不同微结构模型的摩擦学性能和耐腐蚀性能,发现微孔和微槽结构的摩擦系数较低为0.2左右,耐摩擦性较好。由于微网格的结构特征使得摩擦副之间的接触面积较小降低了其承载能力,因而耐摩擦性能较差。同时与光滑的铝合金相比,超疏水表面极化曲线的自腐蚀电位升高而腐蚀电流密度降低,拥有较好的耐腐蚀性能。(4)研究不同扫描速度下的黄铜表面的摩擦学性能和耐腐蚀性能,发现扫描速度为10 mm s-1时,样品在高载和低载情况下均有较好的耐摩擦性能。超疏水黄铜表面的极化曲线的自腐蚀电位升高而腐蚀电流密度降低,拥有较好的耐腐蚀性能。
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