铝/镁合金超疏水表面构建及其耐腐蚀抗磨损性能研究

来源 :南京理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lingshao2009
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铝/镁合金是实现武器装备轻量化的主要金属材料。但由于铝/镁合金易腐蚀易磨损的特性,可造成武器性能失效,甚至危及士兵的安全,从而限制了其在武器装备轻量化领域的应用。表面处理技术是目前改善金属耐腐蚀抗磨损性能最直接有效的手段,其中仿生超疏水表面不仅具有优异的超疏水性能,而且在自清洁、防污、减阻、防霜冻、耐腐蚀和抗磨损等方面也展现出潜在应用前景。近年来,超疏水表面研究已取得长足发展,但现有大部分制备方法都需要特殊的加工设备、复杂的工艺和苛刻的条件,导致超疏水表面大规模化生产受阻。因此,深入研究超疏水表面耐腐蚀耐磨损机理,对于拓展铝/镁合金在武器装备中的应用具有十分重要的意义。本文以具有代表性的7075铝合金和AZ31B镁合金为研究对象,采用电火花加工技术与低表面能物质修饰相结合的方法,对金属表面进行微/纳复合结构设计,使铝/镁合金超疏水表面具备优异的耐腐蚀、抗磨损性能。借助FESEM、EDS、FT-IR和XPS等测试手段,对超疏水表面形貌、结构、化学组成进行测试表征,并从表面润湿性、机械稳定性、化学稳定性、耐腐蚀性和抗磨损性等方面对铝/镁合金超疏水表面进行系统地研究。主要研究内容如下:(1)研究电火花加工实现超疏水表面的可行性,为设计铝/镁合金超疏水表面结构提供理论基础。(2)优化超疏水表面制备工艺参数。建立了电火花加工参数和表面润湿性之间的映射关系。利用正交试验对制备工艺参数进行优化,结果表明电火花加工参数影响润湿性的主次顺序为:脉间>功率管数>脉宽。获得最佳电火花加工参数组合,采用最佳制备工艺参数所制备的铝/镁合金超疏水表面均符合Cassie模型。(3)探究铝/镁合金超疏水表面形成机理。具有粗糙结构的铝/镁合金超疏水表面符合双尺度微观结构。借助FESEM、EDS、FT-IR和XPS等测试表征手段,结果显示从铝/镁合金表面检测到的大量碳元素是由低表面能物质成功修饰所致。因此,铝/镁合金表面的微观结构及其与低表面能物质的相互作用是形成超疏水表面的内在机理。(4)铝/镁合金超疏水表面耐腐蚀性能研究。在3.5 wt.%Na Cl溶液的条件下,利用电化学工作站对铝/镁合金超疏水表面进行耐腐蚀性能测试。与铝/镁合金基体相比,超疏水表面腐蚀电位均向正方向移动,导致腐蚀电流密度也随之降低,这表明其耐腐蚀性能得到了提升。由于铝/镁合金超疏水表面符合Cassie模型,其表面分布着大量的微/纳复合结构,该结构能储存大量的空气,从而形成一个“气垫”,有效阻止腐蚀溶液与超疏水表面的直接接触,大幅降低实际接触面积,从而提升其耐腐蚀性能。(5)铝/镁合金超疏水表面抗磨损性能与机理研究。在不同载荷、不同摩擦速度的试验条件下,采用UMT-2型多功能机械测试系统,对铝/镁合金超疏水表面进行抗磨损性能研究。与基体相比较,在不同测试条件下,所有铝/镁合金超疏水表面均表现出优异的抗磨损性能。经微观表征与研究发现,这是由于在摩擦接触过程中,铝/镁合金超疏水表面分布着大量的微/纳复合结构,导致实际接触面积远小于基体表面的实际接触面积,有效地减轻摩擦和降低磨损,从而提升其抗磨损性能。
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