论文部分内容阅读
海洋面积覆盖了地球表面的71%,蕴含着富饶的资源。随着海洋产业的快速发展及其对海洋资源的强烈需求,海洋资源的开发正引起人类的高度重视。然而,海洋环境的腐蚀性很强,各种海工装备、设施在海洋环境中易受到严重腐蚀,因此海洋资源的开发过程必需面对严峻的环境问题。研究表明,特殊的润湿性材料,特别是超疏水材料,基于其表面具有优异的自清洁、抗腐蚀、低粘附等特性,在海洋资源的开发和利用方面具有巨大的潜力,如防腐、防污等。本论文拟开展碳纳米管——纳米晶/非晶碳基薄膜的微/纳结构设计,从而开发构筑出具有优异超疏水、自清洁和耐腐蚀于一体的碳纳米管——纳米晶/非晶碳基复合薄膜材料;并系统地分析碳纳米管——纳米晶/非晶碳基复合薄膜的成分、微/纳表面形貌与其结合强度、润湿性、自清洁能力及耐腐蚀性之间密切关联性。研究结果表明:1.利用电化学沉积技术以甲醇为碳源,通过调节不同的沉积电压（800 V1600 V）制备纯非晶碳（a-C:H）薄膜。以SEM、XPS、TEM、Raman等实验结果和气相沉积薄膜理论为基础,阐明了a-C:H薄膜生长过程遵循岛状模式生长,其生长机理是伴随有等离子反应的极化-离解-电化学反应过程。薄膜微观结构及表面形貌的协同作用决定着a-C:H薄膜的润湿性能,在沉积电压为1200 V时制备的a-C:H薄膜的水接触角为101.20°,较单纯的硅片表面水接触角提升33.30°;腐蚀电流密度从2.81×10-6 A·cm-2降低到2.14×10-8 A·cm-2,降低2个数量级,表明薄膜耐腐蚀性能有较大提升。2.将金属镍颗粒掺入a-C:H薄膜中,形成新颖的低维碳簇纳米/a-C:H复合薄膜（Ni/a-C:H）。SEM、TEM等测试表明金属纳米Ni颗粒以单质纳米晶的形式镶嵌在非晶碳基薄膜中,借助Ni纳米颗粒的表面效应和小尺寸效应,在有效缓解非晶碳薄膜内应力的同时,在非晶碳薄膜表面构筑了特殊的微/纳米层状结构,赋予了Ni/a-C:H薄膜新颖的超疏水性能及优异的耐腐蚀性能。镍掺杂浓度为0.08 mg/mL时制备的纳米晶/非晶复合Ni/a-C:H薄膜的水接触角和滚动角分别为154.21°和7.96°,具有优异的超疏水性能;且腐蚀电流密度与未掺杂薄膜相比降低约2个数量级,为7.40×10-10 A·cm-2。3.将碳纳米管/Ni纳米颗粒共同掺入a-C:H薄膜中,成功地构筑了碳纳米管增强纳米晶/非晶碳基复合薄膜（CNTs/Ni/a-C:H）,SEM、TEM等测试表明碳纳米管和金属Ni纳米颗粒镶嵌生长在非晶碳膜中。借助碳纳米管表面含有大量羧基等表面基团及其低表面能的特性,在保持Ni/a-C:H薄膜功能特性的基础上,进一步增强了CNTs/Ni/a-C:H复合薄膜的超疏水性能和耐腐蚀性能,其水接触角高达158.89°,滑动角度为1.99°,同时腐蚀电流密度降低至3.12×10-10 A·cm-2,低频阻抗模量高达6.84×106Ω·cm2。此外,超疏水CNTs/Ni/a-C:H复合薄膜不仅展现出良好的机械性能,而且具有杰出的自清洁能力,极大地拓展了非晶碳基复合薄膜在海洋装备关健构件表面等领域的潜在应用。