30Cr2Ni2WVA钢基超疏水表面制备及其性能研究

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超疏水表面是一种具有特殊润湿性的仿生功能表面,在抗结冰、油水分离、流体定向运输、自清洁、防腐蚀、流体减阻等领域具有较高的潜在应用价值。航空用钢因具有较高的强度,而被广泛地应用于航空航天领域中。以航空用钢为基材制备超疏水表面可有效的增强航空用钢在极端环境中的适用性,具有潜在的研究价值。目前,钢基超疏水表面的制备方法多种多样,但存在成本高、环境友好性差、表面耐久度差等问题。针对上述问题,本研究使用中性电解液通过电化学刻蚀法在30Cr2Ni2WVA航空用钢上构建出超疏水表面。主要内容包括:(1)采用电化学刻蚀法,在30Cr2Ni2WVA航空用钢表面简单、高效地制备出微纳米级粗糙结构,并使用低表面能物质氟硅烷进行修饰获得表面超疏水的航空用钢;该方法具有制备简单、成本较低、环境友好性佳的特点。(2)采用单因素试验法,对电化学刻蚀过程中的电化学刻蚀参数(电流密度、电解液浓度、电化学刻蚀时间)对航空用钢表面宏观形貌、润湿性的影响进行探究,对比润湿性、加工效率等因素找到较优加工参数。结果表明:以25 wt%的Na NO3溶液作为电解液,在5 A·cm-2的电流密度下加工60 s可在成本较低、加工效率较高的前提下获得满足润湿性要求的超疏水30Cr2Ni2WVA航空用钢表面,为较优加工参数。(3)使用扫描电镜、X射线能谱分析仪、X射线光电子分析仪和X射线衍射仪对使用较优参数加工后的表面进行表征分析。结果表明:经过电化学刻蚀后超疏水30Cr2Ni2WVA航空用钢表面形成了一层具有多孔结构的珊瑚状微纳米级粗糙结构,该结构是由铁、铬氧化物/氢氧化物组成的复合膜。(4)对使用较优参数加工后的表面进行落砂、摩擦、超声清洗、耐腐蚀、热循环、紫外照射等多种试验,结果表明:超疏水30Cr2Ni2WVA航空用钢表面具有良好的表面强度和化学稳定性,可以在较为严苛的环境中使用。(5)对超疏水30Cr2Ni2WVA航空用钢表面在抗结冰、自清洁领域的应用进行探究。结果表明:超疏水的航空用钢表面可以抑制表面结冰,展示出良好的抗结冰特性;滴落在航空用钢表面的水滴快速滚落,带走污物实现清洁,展示出良好的自清洁特性。
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