2011-金属基体超疏水表面制备及应用的研究进展

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铝合金基体上超疏水表面的制备及其性能_赵坤

铝合金基体上超疏水表面的制备及其性能_赵坤

第28卷 第3期Vo l .28 No .3材 料 科 学 与 工 程 学 报Journal of M aterials Science &Engineering 总第125期Jun .2010文章编号:1673-2812(2010)03-0448-05铝合金基体上超疏水表面的制备及其性能赵 坤1,2,杨保平1,2,张俊彦2(1.兰州理工大学石油化工学院,甘肃兰州 730050;2.中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,甘肃兰州 730000) 【摘 要】 采用化学刻蚀的方法在铝合金基体上构筑出微纳米结构,并用乙基三氯硅烷进行硅烷化处理,制备出具有超疏水性质的表面。

水滴与表面的接触角可以达到159°,滚动角<1°。

用扫描电子显微镜(SEM )和X -光电子能谱(XPS )分别对所制备表面的形貌和元素进行了分析。

同时,考察了溶液浓度,修饰时间以及相对环境湿度对表面疏水效果的影响,并且考察了不同pH 值水溶液在其表面的接触角。

另外,对所制备的超疏水表面的稳定性和抗腐蚀性能也进行了测试。

结果表明:浓度为1.0mo l /L ,反应时间2.5h ,环境湿度40%~55%是最佳的制备条件。

该条件下制备的超疏水表面具有良好的稳定性和抗腐蚀性能。

【关键词】 超疏水;化学刻蚀;接触角;稳定性;耐蚀性中图分类号:TB383 文献标识码:APreparation and Performance of Super -HydrophobicSurface on an Aluminum AlloyZHA O Kun1,2,YANG Bao -ping1,2,ZHANG Jun -yan2(1.College of Petrochemical Technology ,Lanzho u University of Technology ,Lanzhou 730050,C hina ;2.State Key Laboratory ofSolid Lubrication ,Lanzhou Institute of Chemical Physics ,C hinese Academy of Sciences ,Lanzhou 730000,C hina )【Abstract 】 The aluminum alloy surfaces w ith micro -and nano structures w ere fabricated by chemical e tching method .A fter mo dificatio n w ith ethy lsilico ne ,the as -prepared surfaces show super -hydrophobicpro perties w ith a w ater contact angle of up to 159°and sliding ang le o f smaller than 1°.The images and elements o f the as -o btained surfaces w ere inve stig ated by scanning electro n micro scopy (SEM )and X -ray photoelectron spectroscopy (XPS ),respectively .M eanw hile ,the effects of the so lution concentration ,reaction time and relative humidity o n the super -hydrophobicity w ere investigated ,as w ell as the relatio nship betw een contact angle and pH value of the solutio n w as studied .Mo reo ver ,the stability and co rrosion resistance o f the super -hy dro phobic surfaces w ere also tested .The results show that the optimal preparation conditions are 1.0mol /L of ethy lsilico ne so lution concentration ,2.5h of reactio n time and 40%~55%of relative humidity .And all the as -prepared super -hy drophobic surfaces show lo ng time stability and cor ro sion resistance .【Key words 】 super -hydropho bic ;chemical etching ;contact ang le ;stability ;co rrosion resistance收稿日期:2009-09-28;修订日期:2009-11-02基金项目:国家自然科学基金资助项目(50823008,20673131)和中国科学院“百人计划”资助项目作者简介:赵 坤(1984-),男,硕士研究生。

超疏水材料的制备及其表征

超疏水材料的制备及其表征

超疏水材料的制备及其表征近年来,超疏水材料在各个领域被广泛应用。

超疏水材料的制备和表征成为了当前研究的热点问题。

本文将介绍超疏水材料的制备方法及其表征手段。

一、超疏水材料的制备方法超疏水材料的制备方法主要包括可控表面粗糙化、表面化学修饰和特殊涂层三种方法。

1.可控表面粗糙化可控表面粗糙化是制备超疏水材料的一种常用方法。

通过长期算法、电解蚀刻、阳极氧化等方法,可以在普通表面上形成各种化学及物理结构的表面粗糙化。

通过不同结构和尺度的表面粗糙化可以得到不同类型的超疏水材料。

2.表面化学修饰表面化学修饰通常是通过改变表面化学功能团或化学键的种类和密度等手段来实现的。

这种方法一般用于特殊场合,例如在生物医学领域制备超疏水材料等。

3.特殊涂层特殊涂层是制备超疏水材料的另一种方法。

通过是原位合成、溶液浸渍、离子束沉积、以及等离子体蒸汽沉积等方法,可以在普通表面上添加不同材料的涂层,从而得到不同类型的超疏水材料。

二、超疏水材料的表征手段超疏水材料的表征手段主要包括显微镜、接触角计、气-液吸附法及表面粗糙度计等。

1.显微镜针对表面微观结构的研究,显微镜是一种好的表征手段。

分别可以利用扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜等技术来研究其表面结构与形貌。

2.接触角计接触角是表征超疏水性的关键指标之一。

通过测量角度可以获得材料与液体的表面张力,并根据静电学的理论公式进行计算。

当接触角大于150度时,即可认为材料为超疏水性。

3.气-液吸附法气-液吸附法可以直接测定材料孔径及比表面积。

该手段用于评价材料内部微结构与机理。

4.表面粗糙度计表面粗糙度计是一个用于测量材料表面形貌参数的工具。

通过测量表面高度和微观成分等参数来获得显示材料表面粗糙度的图像。

三、结论目前,超疏水材料的制备和表征技术已经比较成熟。

通过对超疏水材料的表征,可以更加深入地理解其性质和应用场景,从而更好地推动超疏水材料的研究和应用。

未来随着化学和材料领域的不断发展,相信超疏水材料会有更多的应用前景。

金属基体表面超疏水涂层材料的制备及应用研究进展

金属基体表面超疏水涂层材料的制备及应用研究进展

材料研究与应用 2024,18(1):106‐115Materials Research and ApplicationEmail :clyjyyy@http :// 金属基体表面超疏水涂层材料的制备及应用研究进展陈耀峰1,邵文鹏2,赵广宾1,杨凯军2,朱锦鹏2(1.东方绿色能源(河北)有限公司华中分公司,河南 郑州 450003; 2.郑州大学材料科学与工程学院,河南 郑州 450001)摘要: 金属材料因具有优异的综合力学性能,广泛应用于国防军工、工业装备制造等领域中。

由于应用环境复杂多变,金属基体材料很容易受到外界环境的影响而发生表面腐蚀和结冰等问题,从而导致关键装备的功能显著下降甚至失效。

为解决上述问题,国内外科研人员研发了在金属基体表面沉积超疏水涂层。

由于超疏水涂层材料表面通常具有水接触角超过150°和滚动角低于10°的特殊润湿表面特性,要达到超疏水性能,一般需要具备微纳米粗糙结构和低表面能物质修饰两个条件。

首先,介绍了制备超疏水涂层材料的常用方法,包括喷涂法、刻蚀法、模板法、沉积法等,并对主要优缺点进行了探讨。

然后,在不同制备方法的基础上,进一步探讨了超疏水涂层在防结冰、防腐蚀、减阻、自清洁等领域中有效应用。

最后,总结了近年来超疏水涂层材料技术的研究进展,并对未来超疏水涂层材料的研发方向进行了展望。

这些研究成果为金属材料在复杂多变的应用环境中提供了更可靠的保护措施,有望提升关键装备的性能和寿命。

关键词: 超疏水;微纳结构;低表面能;防结冰;防腐蚀;涂层;制备方法;润湿特性中图分类号:TG174.4 文献标志码: A 文章编号:1673-9981(2024)01-0106-10引文格式:陈耀峰,邵文鹏,赵广宾,等.金属基体表面超疏水涂层材料的制备及应用研究进展[J ].材料研究与应用,2024,18(1):106-115.CHEN Yaofeng ,SHAO Wenpeng ,ZHAO Guangbin ,et al.Research Progress on the Preparation and Application of Superhy‐drophobic Coating Materials on Metal Substrate Surface [J ].Materials Research and Application ,2024,18(1):106-115.0 引言超疏水现象最早被发现,是由于荷叶特有的表层自清洁效应。

耐久超疏水表面的研究进展

耐久超疏水表面的研究进展

第52卷第11期表面技术2023年11月SURFACE TECHNOLOGY·23·耐久超疏水表面的研究进展徐文婷,傅平安,欧军飞*(江苏理工学院 材料工程学院,江苏 常州 213001)摘要:超疏水表面在油水分离、腐蚀防护、防水抗冰等领域具有广泛的研究和应用价值。

然而,其实际应用并未达到预期的广泛程度,主要制约因素在于表面的耐久性不足。

超疏水表面的失效主要体现在两个方面:一方面,由于表面粗糙结构在承受机械载荷时容易遭受高局部压力而受损;另一方面,由于低表面能分子在高温、光照和强氧化剂等刺激下容易发生分解失效。

为了解决上述问题,从耐久型超疏水表面的特点入手,提出了提高超疏水表面耐久性的典型策略。

这些策略包括:(1)构建弹性基底,这可以将微结构上的载荷转移至基体,减少微结构受损的可能性;(2)微结构保护,这种方法通过构筑刚性的护盾,保护了更低尺度的纳米结构免于受损;(3)胶黏+涂装,该策略是通过中间层连接,强化基体与表面微纳结构的结合力;(4)利用低表面能物质的自修复能力,这种方法可以在表面受损后通过自我修复特性恢复其超疏水性;(5)微结构的重建,可以在表面粗糙结构遭破坏后,使其恢复原貌。

最后,对耐久超疏水表面的发展提出了前瞻性的展望,提出了耐久超疏水表面绿色可持续发展的新方向。

关键词:鲁棒性;仿生表面;自修复;铠甲表面中图分类号:TG172 文献标识码:A 文章编号:1001-3660(2023)11-0023-17DOI:10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.11.002Research Progress on Durable Superhydrophobic SurfacesXU Wen-ting, FU Ping-an, OU Jun-fei(School of Materials Engineering, Jiangsu University of Technology, Jiangsu Changzhou 213001, china)ABSTRACT: Superhydrophobic surfaces have emerged as an exciting area of research with immense potential in various fields.These surfaces, when designed correctly, can repel water to an extraordinary extent and find applications in oil-water separation, corrosion protection, waterproofing, and anti-icing. However, their practical application has been hindered by a lack of durability. The failure of superhydrophobic surfaces can be attributed to two main factors. Firstly, the rough surface structure is susceptible to damage under high local pressure when subjected to mechanical loads. The microstructure, which is the physical foundation of the superhydrophobicity, can be easily crushed or deformed under stress. Secondly, the low surface energy molecules, which are the chemical basis of the superhydrophobicity, tend to decompose and deteriorate when exposed to stimuli such as high temperature, light, and strong oxidants. As a result, the surface's superhydrophobicity diminishes over time.To address these challenges and enhance the durability of superhydrophobic surfaces, several strategies have been proposed. (1) The first strategy involves the construction of elastic substrates. By using elastic materials as substrates, the load on the microstructure can be transferred to the matrix, reducing the likelihood of damage. This approach ensures that the收稿日期:2023-09-28;修订日期:2023-11-07Received:2023-09-28;Revised:2023-11-07基金项目:江苏省高等学校自然科学研究重大项目(23KJA430006)Fund:The Natural Science Foundation of the Jiangsu Higher Education Institutions of China (23KJA430006)引文格式:徐文婷, 傅平安, 欧军飞. 耐久超疏水表面的研究进展[J]. 表面技术, 2023, 52(11): 23-39.XU Wen-ting, FU Ping-an, OU Jun-fei. Research Progress on Durable Superhydrophobic Surfaces[J]. Surface Technology, 2023, 52(11): 23-39. *通信作者(Corresponding author)·24·表面技术 2023年11月superhydrophobic surface remains intact even under mechanical stress. (2) The second strategy is microstructure protection. A protective shield can be constructed to safeguard the delicate micro/nanostructures from damage. This rigid shield acts as a barrier, shielding the micro/nanostructures from external forces or harsh conditions. Using materials with high mechanical strength and chemical stability prevents the degradation of the micro/nanostructure. (3) The third strategy is utilizing an adhesive+coating. By using an intermediate layer, the adhesion between the substrate and surface micro/nanostructures can be enhanced. This adhesive layer improves the overall durability of the superhydrophobic surface by providing additional support and stability. (4) The fourth strategy involves the use of self-healing materials. Superhydrophobic surfaces can be made from low surface energy materials with self-healing capabilities. These materials can restore their superhydrophobicity even after the surface has been damaged or compromised. This property ensures that the surface can maintain its water-repellent properties over a longer period. (5) The fifth strategy is the reconstruction of microstructures. This approach involves repairing or replacing the damaged microstructures to restore the surface's superhydrophobic properties and performance.Looking ahead, the development of durable superhydrophobic surfaces holds great promise. It offers new opportunities for green and sustainable solutions in various industries. By incorporating the aforementioned strategies, researchers and engineers can create superhydrophobic surfaces that are not only highly efficient but also long-lasting and resilient. These durability enhancement strategies pave the way for the practical implementation of superhydrophobic surfaces in real-world applications, enabling their widespread use and impact. This will contribute to the development of green and sustainable technologies for a wide range of applications.In conclusion, the development of durable superhydrophobic surfaces is crucial for advancing the fields of oil-water separation, corrosion protection, waterproofing, and anti-icing. By addressing the challenges related to surface durability through strategies such as constructing elastic substrates, microstructure protection, adhesive+coating, utilizing self-healing materials, and reconstructing microstructures, the practical application of superhydrophobic surfaces can be significantly enhanced. This will contribute to the development of green and sustainable technologies for a wide range of applications.KEY WORDS: robust; bio-inspred surface; self-healing; armoured surface随着生物进化的不断演进,自然界中许多生物逐渐进化出了具有超疏水性的表面,这些表面具有独特的微观结构和低表面能物质,使得水滴在其表面难以附着[1-5]。

金属表面超疏水涂层防覆冰性能的研究进展

金属表面超疏水涂层防覆冰性能的研究进展

第50卷第10期 辽 宁 化 工 Vol.50,No. 10 2021年10月 Liaoning Chemical Industry October,2021基金项目: 辽宁石油化工大学省级大学生创新创业训练计划项目。

金属表面超疏水涂层防覆冰性能的研究进展魏娜1,范昱楠1,刘勇帅1,高资乔2(1. 辽宁石油化工大学,辽宁 抚顺 113001; 2. 中油辽河工程有限公司,辽宁 盘锦 124010)摘 要:金属表面积冰可能会导致户外设施和建筑物发生故障或性能严重退化,造成巨大的经济损失甚至人员伤亡。

简要综述了传统的防覆冰技术研究进展,介绍了超疏水表面的机理,对超疏水防覆冰涂层进行分类,阐述不同表面粗糙结构对超疏水防覆冰性能的影响,并对其应用前景进行了展望。

关 键 词:金属;防覆冰;超疏水;粗糙结构中图分类号:TQ637 文献标识码: A 文章编号: 1004-0935(2021)10-1483-05金属因其出色的锻造性能、热处理性能、铸造性能和机械性能而广泛用于建筑、工业和生活等许多领域。

但金属材料在实际应用过程中亦存在一系列问题,如飞机在穿越云层或遇到冻雨时,会截留过冷的水滴,使凝结的水迅速结冰,形成积冰。

冰的累积会导致阻力增加,有时还会导致巨大的升力损失,从而可能会导致坠机事故[1]。

风力涡轮机叶片上的积冰可以造成高达50%的产量损失[2],不仅对设备及系统的稳定运行造成了严重的影响,甚至带来安全隐患。

此外,冰箱和热交换器的结霜和积冰会导致传热效率的降低。

据报道,由于霜冻形式的影响,其换热损失可达50%~75%[3]。

为此,科学家们对金属表面防覆冰工作开展了广泛的研究。

到目前为止,国内外研究者常用的防覆冰方法主要有电热法[4]、化学法[5]、自然防冰法[6]和超疏水涂层[7]等。

各方法之间的原理和缺点详见表1。

表1 典型防冰/除冰方法方 法原 理缺 陷电热法 利用焦耳效应对线路导线进行加热由于高成本和大量能源消耗,该技术未能实际应用化学法 添加有机液体降低水的凝固点持续时间很短且污染环境自然防冰法 利用风和自然力的作用,减少冰对基材表面的附着力和表面的覆冰量,使冰不易聚结而自行脱落 简单易行、成本低,但在地理环境方面有一定的局限性 超疏水涂层 表面粗糙结构内气垫的绝热作用使液滴结冰时间延长长时间的高湿低温环境会失效 金属表面超疏水涂层较大的接触角和较小的滚动角可以使液滴迅速滚落,结冰量将减少,并且液滴的凝固时间将更长,这被认为是防止金属表面结冰的一种有效的手段。

金属基体超疏水表面制备及应用的研究进展

金属基体超疏水表面制备及应用的研究进展
2 1 阳 极 氧 化 法 .
直增大 。 目前 实 验 资 料 表 明l 疏 水 性 最 好 的材 料 2 ,
E 7 1 其 光 滑 表 面 的 接 触 角 仅 为 1 9 0 。 该 角 度 C2, 1. 5, 远 没 有 达 到 超 疏 水 的要 求 。
1 2 W e z l 型 ne模
蚀 ’ 、 ” 防结 冰 _ 1
、 腐 耐
表 面张力 。 由 式 ( ) 得 , 液 体 确 定 时 , 确 定 时 , 触 1可 当 即 接
等 特 性 , 金 属 材 料 在 工 农 业 生 而
9 4
材 料 工 程 /2 1 0 1年 5期
角 随着 ( 值 的减 小 而增 大 , 由于受 到 材料 y 一y ) - 但
Ke r s me a ub ta e up r yd o ho c s r a e;r s a c r gr s y wo d : t ls s r t ;s e h r p bi u f c eerhpo es
润 湿性 是 固 体 表 面 的 重 要 性 质 之 一 l , 用 接 触 _ 常 1 角来衡量 , 当接 触 角 小 于 9 。 为 亲 水 表 面 , 于 5时 0时 小 。 为 超 亲水 表 面 , 于 9 。 为 疏 水 表 面 , 于 1 0时 为 大 0时 大 5。 超 疏 水 表 面 。 在 自然 界 中 , 处 可 见 超 疏 水 现 象 , 到 荷
限 制 ,y ) ) 不 会 无 限 制 地 降 低 , 0 并 不 会 一 ( 一 , 并 - 即 值
se a tr 型 。 目前 , 属基体 超疏水 表面 的常用制 i B xe 模 金
备 方 法 有 阳极 氧 化 法 、 电化 学 沉 积 法 、 学 腐 蚀 法 、 化 化 学沉积 法 、 步浸泡 法 、 氧化法 、 板法 、 合 法等 。 一 热 模 复

铝合金表面构建超疏水性的化学改性机理

铝合金表面构建超疏水性的化学改性机理
一步反应法是将一定量盐酸和肉豆蔻酸混合 搅拌,配成均匀溶液,然后将铝合金基片浸泡在其 中制备样品. 盐酸分析纯浓度为 350 g / L,通过改 变肉豆蔻酸浓度、反应温度和反应时间,制备不同 样品. 最后,制得的样品同样于 80 ℃ 下固化 0. 5 h. 1. 3 试样表面分析和润湿性测定方法
各种试样( 包括刻蚀后铝合金基片、不同蒸镀 改性工艺处理后样品和一步法制备的样品) 表面形 貌采用 Sirion 场发射扫描电镜( SEM ) 进行分析.
第 41 卷第 5 期 2011 年 9 月
东南大学学报( 自然科学版)
JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY ( Natural Science Edition)
doi: 10. 3969 / j. issn. 1001 - 0505. 2011. 05. 027
Vol. 41 No. 5 Sept. 2011
Mechanism of chemical modification for fabricating superhydrophobic aluminum alloy
Wu Jie Yu Xinquan Zhang Youfa Zhou Quanhui
( School of Materials Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 211189,China) ( Jiangsu Key Laboratory of Advanced Metallic Materials,Southeast University,Nanjing 211189,China)
103969issn10010505201105027超疏水金属表面具有耐腐蚀自清洁抗结冰防生物附着等特性对金属在海水环境酸性条件低温和人体植入等领域的应用具有重要意义基于荷叶效应的基本原理超疏水金属表面的制备方法主要有2构建粗糙结构和表面改性分开进行的两步法粗糙化和化学改性同时进行的一步法对于粗糙结构的制备有湿化学刻蚀法表面氧化法直接成膜法和电化学沉积法运用这些方法已在不锈钢铜铝锌和钛等多种金属表面获得了超疏水性表面改性剂一般选用表面能较低的聚合物如氟碳树脂聚四氟乙烯有机硅树脂聚二甲基硅氧烷氟硅树脂氟硅烷和长链聚合物硬脂酸等与其他制备方法相比湿化学刻蚀法简便快捷成本较低

超疏水涂层微纳米材料可控合成及应用研究

超疏水涂层微纳米材料可控合成及应用研究

超疏水涂层微纳米材料可控合成及应用研究一、概述超疏水涂层微纳米材料是指在材料表面形成的一种具有极强疏水性能的特殊涂层,其表面能极低,使得水珠在其表面呈现出高度的球形,与其表面接触的接触角大于150°,使得水珠在其表面上几乎不会留下痕迹。

超疏水涂层具有优异的抗粘性和自清洁性,因此在汽车玻璃、建筑材料、纺织品等领域具有广阔的应用前景。

本文旨在介绍超疏水涂层微纳米材料可控合成的研究现状和应用前景。

二、超疏水涂层微纳米材料合成技术1. 化学气相沉积法(CVD)化学气相沉积法是一种常用的超疏水涂层微纳米材料合成技术,通过将含有相应金属或氧化物前驱体的气体输入反应室,经过热解反应在基底表面沉积出纳米级的超疏水材料。

该方法可以实现对材料组分、结构和形貌的精确控制,形成具有特定性能的超疏水涂层微纳米材料。

2. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种将含有金属离子或其他前驱体的溶液先制备成溶胶,然后通过加热或化学反应促使其中的物质发生凝胶化,最终得到超疏水涂层微纳米材料的方法。

该方法简单易行,能够实现大面积均匀的涂层覆盖。

3. 电化学沉积法电化学沉积法是一种利用电解池在基底表面沉积出所需材料的方法,通过控制电极电势、电流密度以及电解液成分可以精确调控涂层的组分和结构,实现超疏水特性。

4. 其他新技术除了上述常用的合成技术,还有一些新的技术不断涌现,如等离子体辅助化学气相沉积法、模板法、离子束辅助沉积法等,这些新技术为超疏水涂层微纳米材料的合成提供了更多的选择和可能性。

三、超疏水涂层微纳米材料在汽车领域的应用超疏水涂层微纳米材料在汽车领域具有广泛的应用前景。

涂覆超疏水涂层微纳米材料的汽车玻璃可以有效抵抗雨水和污垢的侵蚀,使驾驶者在雨天视野更加清晰,提高行车安全性。

涂覆超疏水涂层微纳米材料的汽车车身可以减少灰尘、泥浆等污垢的附着,减少清洗和维护的频率和成本。

超疏水涂层还可以应用于汽车轮胎和底盘部件,减少泥浆和水花的粘附,延长汽车的使用寿命。

超疏水材料的应用前景

超疏水材料的应用前景

超疏水材料的应用前景超疏水材料的应用前景近年来,超疏水材料以其优越的性能,超强的疏水能力,在家电行业的应用前景越来越广泛,引起了该领域专家的极大关注。

本文总结归纳了超疏水材料的疏水机理和研究现状。

最后,对超疏水材料在家电行业的发展前景进行了展望。

落在荷叶上的雨滴不能安稳地停留在荷叶表面,而是缩聚成大大小小的水珠并滚落下来,水珠在滚动的过程中会带走叶片表面的灰尘。

因此荷叶在雨后会变得一尘不染,这种现象在生活中很常见,我们称之为“荷叶效应”。

因此,科研工作者从中获得灵感和启迪,对超疏水表面展开大量的研究。

近年来,有关超疏水表面的制备及其性能方面的研究,成为了材料科学领域的关注热点,发展极其迅速。

超疏水材料以其优越的性能,超强的疏水能力,在家电行业中有着越来越广泛的应用前景。

1 疏水机理1.1 超疏水表面的特征自然界中的很多植物叶片,如荷叶、粽叶、水稻叶、花生叶等,都具有超疏水能力。

通过扫描电镜观察,这些叶片的表面并不光滑,而是分布着很多微纳米凸起。

直径约为125 nm的纳米枝状结构分布于直径约为7 μm 的微米级的乳突结构上,形成分级构造。

同时,叶面还覆盖有一薄层蜡状物,其表面能很低。

当雨水落在叶片表面时,凸起间隙中的空气会被锁定,雨水与叶面之间形成一层薄空气层,这样雨水只与凸起尖端形成点接触,表面黏附力很弱。

因此水在表面张力作用下可缩聚成球状,并能在叶片表面随意滚动。

而灰尘与叶片也为点接触,表面黏附力很小,很容易被水珠带走。

在分级构造和蜡状物的联合作用下,叶片得以实现超疏水性和自清洁功效。

除了植物之外,自然界中的许多动物体表面也具有很强的疏水和自清洁功能,如鸭子羽毛、蝴蝶翅膀、水上蜘蛛、水黾、蝉等。

房岩等人发现蝴蝶翅膀表面较强的疏水性是翅膀表面微米级鳞片和亚微米级纵肋综合作用的结果。

通过高倍扫描电镜观察,蝴蝶翅膀表面由多个鳞片覆瓦状排列组成,鳞片表面由亚微米级纵肋及连接组成,形成阶层复合结构,鳞片的纵肋横截面均为规则的三角形。

镁合金表面防腐蚀超疏水涂层制备研究进展

镁合金表面防腐蚀超疏水涂层制备研究进展

第52卷第11期表面技术2023年11月SURFACE TECHNOLOGY·1·专题——超疏水涂层及其应用镁合金表面防腐蚀超疏水涂层制备研究进展王华,刘艳艳(大连理工大学 化工学院,辽宁 大连 116024)摘要:镁合金是一种有发展前途的绿色工程金属材料,但其较差的抗腐蚀性能限制了它的大规模应用。

对镁合金表面进行超疏水处理,能够极大地提高镁合金的耐腐蚀性能。

当超疏水试样浸泡在腐蚀溶液中时,该结构将在腐蚀介质中形成固-气-液界面层,减少镁合金表面与腐蚀介质之间的接触面积,从而降低腐蚀速度。

超疏水表面需要满足微纳米结构和低表面能2个必要条件。

可以采用二步法或一步法在镁合金表面制备超疏水表面,详细介绍了在镁合金表面构造微纳米结构的方法,包括激光处理、机加工、化学刻蚀、化学镀、电化学沉积、阳极氧化、微弧氧化、水热合成和喷涂等方法。

超疏水表面一旦受到机械损伤,微纳米结构无法满足条件,超疏水表面的“气垫效应”消失,腐蚀介质就会直接与微纳米结构接触,因此需要保证构建的微纳米粗糙结构对镁基体具有良好的保护作用并具有自愈功能。

通过制备复合涂层,提高下层微纳米结构的自愈合性能,上层涂层的超疏水性与下层涂层的良好物理屏障能力的协同效应可以改善涂层的长久耐腐蚀性能。

综述了在镁合金上制备具有良好耐腐蚀性能的复合超疏水表面的方法,并对镁合金超疏水表面防护技术的研究方向进行了展望。

关键词:镁合金;表面处理;自愈合涂层;超疏水涂层;耐蚀性中图分类号:TG174 文献标识码:A 文章编号:1001-3660(2023)11-0001-22DOI:10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.11.001Research Progress in the Preparation of Anti-corrosionSuperhydrophobic Coatings on Magnesium AlloysWANG Hua, LIU Yan-yan(School of Chemical Engineering, Dalian University of Technology, Liaoning Dalian 116024, China)ABSTRACT: Magnesium alloy is a promising green engineering metal material, but its poor corrosion resistance limits its large-scale application. The corrosion resistance and service life of magnesium alloy can be improved by surface treatment. The surface protection technology of magnesium alloy includes electrochemical method (micro-arc oxidation, electrodeposition), chemical conversion method and organic coating protection method. Superhydrophobic surfaces have great application prospects in daily life, industry and agriculture because of their self-cleaning, oil-water separation, anti-icing and anti-corrosion properties. Superhydrophobic treatment of magnesium alloy surface can greatly improve the corrosion resistance of magnesium alloy. Superhydrophobic surfaces refer to surfaces with a contact angle greater than 150° and a sliding angle less than 10°. When the superhydrophobic sample is immersed in the corrosive solution, the structure will form a solid-gas-liquid interface layer in the corrosive medium, reducing the contact area between the magnesium alloy surface and the corrosive medium, thereby reducing the corrosion rate.收稿日期:2023-09-27;修订日期:2023-11-06Received:2023-09-27;Revised:2023-11-06引文格式:王华, 刘艳艳. 镁合金表面防腐蚀超疏水涂层制备研究进展[J]. 表面技术, 2023, 52(11): 1-22.WANG Hua, LIU Yan-yan. Research Progress in the Preparation of Anti-corrosion Superhydrophobic Coatings on Magnesium Alloys[J]. Surface·2·表面技术 2023年11月The superhydrophobic surface needs to meet the two necessary conditions of micro and nano structure and low surface energy. Superhydrophobic surface can be prepared on the surface of magnesium alloy by two-step method or one-step method.The two-step method for preparing superhydrophobic surface of magnesium alloy generally means that micro and nano structures are constructed on the alloy surface first, and then low surface energy modification is carried out. One step method means that both roughness and low surface energy can be achieved simultaneously on the surface of magnesium alloy. This paper describes in detail the methods of constructing micro and nano structures on the surface of magnesium alloy, including laser treatment, machining, chemical etching, electroless plating, electrochemical deposition, anodic oxidation, micro-arc oxidation, hydrothermal synthesis and spraying. Low surface energy materials for preparing superhydrophobic surfaces include long-chain fatty carboxylic acid, fluorosilane, Long chain alkyl silanes, polydimethylsiloxanes and polypropylene (PP), etc.Common carboxylic acids include stearic acid (SA), myristate acid (MA), lauric acid (dodecanoic acid, LA), octadecyl-phosphonic acid, perfluorocaprylic acid, oleic acid, etc. Fluorosilane include 1H,1H,2H,2H-Perfluorodecyltriethoxysilane (FAS), 1H,1H,2H,2H-Perfluorodecyltrimethoxysilane (PFDTMS), 1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltriethoxysilane(PFOTES), Hexadecy-ltrimethoxysilane (HDTMS) , etc.However, when the superhydrophobic surface is used for anti-corrosion, once the superhydrophobic surface is damaged, the "air cushion effect" of the superhydrophobic surface will disappear, and the corrosive medium will directly contact the micro and nano structure. Therefore, in this case, it is also necessary to ensure that the constructed micro and nano rough structure hasa good protection effect on the magnesium matrix. To this end, it is necessary to develop composite coatings to improve theself-healing properties of the micro and nano structures and the corrosion resistance of the coating under the superhydrophobic surface. The synergistic effect between the superhydrophobicity of the upper coating and the good physical barrier ability of the lower coating can improve the long-term corrosion resistance of the coating. Due to the layered structure of LDH, the synergistic effect of superhydrophobic effect and chloride ion exchange performance can improve the corrosion resistance of the coating, so there are more superhydrophobic composite coatings prepared together with LDH coatings. It has been studied that the combination of micro-arc oxidation coating (PEO) and layered double hydroxide (LDH) can not only seal the micropore defects on the PEO film, but also enable the composite film to have self-healing function when loaded with corrosion inhibitors.Furthermore, surface superhydrophobic modification can greatly improve the long-term corrosion resistance of the composite coating. In this paper, the anticorrosive mechanism of superhydrophobic surface is introduced, and the method of preparing superhydrophobic surface with good corrosion resistance on magnesium alloy is reviewed. The research direction of superhydrophobic surface protection technology for magnesium alloys is also prospected.KEY WORDS: magnesium alloy; surface treatment; self-healing coating; superhydrophobic coating; corrosion resistance镁合金由于其密度低,吸振性、电磁屏蔽和可加工性优良,作为有发展前途的绿色工程金属材料,在汽车、航天、计算机、电子工业等有广泛应用[1-3]。

激光复合加工制备超疏水金属表面的研究进展

激光复合加工制备超疏水金属表面的研究进展

表面技术第50卷第12期激光复合加工制备超疏水金属表面的研究进展兰铃1,2,底月兰2,王海斗2,康嘉杰1,邱均宏2(1.中国地质大学(北京) 工程技术学院,北京 100083;2.陆军装甲兵学院 装备再制造技术国防科技重点实验室,北京 100072)摘要:随着我国工业化进程的不断推进,金属材料已经广泛应用到生产生活的各个领域。

仿生超疏水金属表面不仅能够延长金属材料在各种环境下的使用寿命,而且还能赋予材料表面自清洁、减阻、油水分离等新的性能。

目前,研究人员已采用多种工艺在金属基体上制备出超疏水表面,超疏水金属表面的制备已经成为仿生学研究中的一个热点。

首先介绍了润湿理论的发展,引出了制备超疏水金属表面的各种工艺方法,进一步归纳总结了激光加工制备超疏水金属表面的优势、特点和表面微结构。

在此基础上,重点论述了近年来将激光加工工艺与化学刻蚀工艺、沉积工艺、离子注入工艺、涂层工艺和氧化工艺相结合的激光复合加工工艺,以及运用激光复合加工工艺制备的超疏水金属表面的结构和特点。

激光复合加工不仅能够在金属表面形成更加丰富的微/纳米复合结构,而且能够使金属表面更快地获得超疏水性能,从而制备出稳定持久的超疏水金属表面。

此外,复合加工能够降低对单一制备工艺的依耐性,扩大加工范围,降低生产成本。

激光复合加工制备超疏水金属表面在实际应用中具有巨大的潜力。

关键词:激光加工;复合加工;金属材料;超疏水表面中图分类号:TN249;O647.5 文献标识码:A 文章编号:1001-3660(2021)12-0246-11DOI:10.16490/ki.issn.1001-3660.2021.12.024Research Progress on Preparation of Super-hydrophobicMetal Surface by Laser Composite ProcessingLAN Ling1,2, DI Yue-lan2, WANG Hai-dou2, KANG Jia-jie1, QIU Jun-hong2(1.College of Engineering and Technology, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China;2.National Key Laboratory for Remanufacturing, Academy of Army Armored Forces, Beijing 100072, China)ABSTRACT: With the continuous development of Chinese industrialization, metal materials have been widely used in various fields of production and life. The preparation of the biomimetic super-hydrophobic metal surface can not only extend the service life of metal materials in various environments, but also give the material surface self-cleaning, drag reduction, oil-water separ-ation and other new properties. At present, researchers have been able to use a variety of processes to prepare super-hydrophobic收稿日期:2020-11-26;修订日期:2021-05-03Received:2020-11-26;Revised:2021-05-03基金项目:国防科技领域基金项目(2020-JCJQ-JJ-378)Fund:National Defense Science and Technology Fund Project (2020-JCJQ-JJ-378)作者简介:兰铃(1996—),男,硕士研究生,主要研究方向为表面工程与再制造工程。

超疏水材料的研究现状及应用

超疏水材料的研究现状及应用

超疏水材料的研究现状及应用摘要:超疏水表面材料具有防水、防污、可减少流体的粘滞等优良特性,是目前功能材料研究的热点之一。

由于超疏水表面在自清洁表面、微流体系统和生物相容性等方面的潜在应用,有关超疏水表面的研究引起了极大的关注,本文简述了超疏水表面的制备方法,归纳了超疏水表面的应用,对超疏水表面研究的发展进行了展望。

关键词:超疏水表面材料;微流体系统;表面制备方法;表面应用Superhydrophobic materials Researchand ApplicationLi Yongliang(Jiangnan University, College of Chemistry and Materials Engineering JiangsuWuxi 214122,China)Abstract:Superhydrophobic surface material with a waterproof, anti-fouling, can reduce the viscosity of the fluid and other excellent features, is currently one of the hot functional materials. As super-hydrophobic surface in the self-cleaning surfaces, microfluidic systems, biocompatibility and other potential applications, research on super-hydrophobic surface caused a great deal of attention, this paper outlines the super-hydrophobic surface preparation methods, summarized the super-hydrophobic surface application of research for the development of super-hydrophobic surfaces were discussed.Keywords:Superhydrophobic surface material; Microfluidic systems; Surface preparation methods; Surface application近年来,植物叶表面的超疏水现象引起了人们的关注。

超疏水材料研究进展

超疏水材料研究进展

超疏水材料研究进展 Document serial number【KK89K-LLS98YT-SS8CB-SSUT-SST108】超疏水材料研究进展摘要:本文介绍了超疏水材料的性质、应用、转变、制备以及存在的问题等。

详细介绍了超疏水材料在流体减阻中、抗腐蚀中、建筑防污耐水等领域内、微流体控制方面的应用和常用的几种制备方法。

关键词:超疏水材料;超疏水应用;制备1 引言近年来,超疏水材料引起了人们的普遍关注。

所谓超疏水材料,就是指水在材料平面上的接触角大于150°的材料。

超疏水材料的特性最初是在荷叶上发现的,荷叶表面的超疏水特性赋予了它们非常好的自清洁效应,污染物很容易被水滴带走[1]。

有关超疏水的基础理论研究始于上世纪50年代,因其优异的自洁性有望在国防、众多工业领域和日常生活等方面有广阔的应用前景,研究工作备受各国重视。

固体表面的润湿性是由其化学组成和表面微观结构共同决定的。

目前,通过对荷叶表面自洁性的仿生研究表明,因其层级微、纳米结合的双微观结构和覆盖在上面的低表面能物质的协同效应而表现出完美的疏水性[2]。

人们通常用液体在材料表面的接触角来表征材料表面的润湿性。

按照水滴在材料表面接触角大小的不同,我们可以将材料进行如下分类当接触角小于 90o 时,我们认为这种材料是亲水材料;如果水滴在材料表面的接触角小于5o,那么这种材料是超亲水材料,例如经浓硫酸和双氧水(体积比为 7:3)处理过的硅片,水滴在它的上面会立刻铺展开,展示出超亲水的性质;当材料表面接触角大于 90o 时,我们认为这种材料是疏水材料;如果材料的表面接触角大于 150o那么我们认为这种材料是超疏水材料,例如我们前面所提到的荷叶,水滴在其表面的接触角大于 150o,不能稳定停留,极易滑落,因而造就了它“出淤泥而不染”的性质。

如图1所示,(a)为亲水,(b)为疏水。

(a) (b)图1 接触角示意图2 超疏水材料的用途超疏水材料在流体减阻中的应用超疏水表面的一个突出的性质是滑移效应的出现, 这一点已被广泛认可[3]。

超疏水材料的制备及其去除水中污染物性能的研究进展

超疏水材料的制备及其去除水中污染物性能的研究进展

超疏水材料的制备及其去除水中污染物性能的研究进展赵霞;李亚斌;李响;胡涛;张航【摘要】The research progresses in preparation of metal-and polymer-based superhydrophobic materials and their removal capabilities to contaminants in wastewater were summarized. The development trends of superhydrophobic materials were proposed from the point of view of wastewater treatment. The directions for development of superhydrophobic materials in wastewater treatment were pointedout,such as:development of low cost, high efficiency and environmentally friendly superhydrophobic materials and their preparation processes;preparation of durable or permanent superhydrophobic decontamination materials;removal of toxic metal ions in water on superhydrophobic material and research of the mechanism;further research on antibacterial property of superhydrophobic materials in water and their application;removal of pharmaceutical and personal care products (PPCPs) and nano-pollutants from water on superhydrophobic materials.%综述了金属基超疏水材料和聚合物基超疏水材料的制备及其去除水中污染物性能的研究进展,并从污水处理的角度展望了超疏水材料的发展方向.指出,超疏水材料在污水处理领域中的发展方向主要为:低成本、高效能且环境友好的超疏水材料及其制备工艺的开发;持久(永久)性超疏水净水材料的制备;超疏水材料对水中有毒金属离子的去除及其机理研究;超疏水材料水中抑菌性的深入研究及其应用;超疏水材料对水中药物和个人护理品(PPCPs)以及纳米污染物的去除.【期刊名称】《化工环保》【年(卷),期】2018(038)001【总页数】6页(P13-18)【关键词】超疏水材料;接触角;油水分离;污水处理【作者】赵霞;李亚斌;李响;胡涛;张航【作者单位】兰州理工大学石油化工学院,甘肃兰州 730050;兰州理工大学石油化工学院,甘肃兰州 730050;兰州理工大学石油化工学院,甘肃兰州 730050;兰州理工大学石油化工学院,甘肃兰州 730050;兰州理工大学石油化工学院,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】X523近年来,人们在生产生活中排放的有机污染物的种类和数量越来越多,加之油品泄漏等环境事故的发生,使水中混入油或其他有机物,如石油醚、氯仿、四氯化碳、硝基苯、甲苯、苯等,对水环境造成了严重的污染[1-2]。

超疏水材料的制备及其表面性能研究

超疏水材料的制备及其表面性能研究

超疏水材料的制备及其表面性能研究超疏水材料是一种具有极高液滴接触角的材料,其表面性能使其在许多领域具有重要应用前景。

制备超疏水材料的方法繁多,从物理和化学两个角度出发,可以实现对材料表面的改良。

本文将介绍超疏水材料的制备方法以及其表面性能的研究。

超疏水材料的制备方式多种多样,其中最常见的一种是表面微纳结构化方法。

通过在材料表面形成微米或纳米级别的结构,可以使材料表面的粗糙度增加,从而增加了液滴在材料表面上的接触角。

常见的微纳结构包括柱形、蓬松状、线状等。

例如,通过在聚合物表面电子束辐照或激光刻蚀,可以制备出微米级别的柱状结构,使聚合物表面具有超疏水性。

除了表面微纳结构化方法外,还可以通过表面化学方法来制备超疏水材料。

这种方法主要是通过改变表面的化学性质来实现的。

例如,将材料表面进行表面修饰,使其表面具有亲水性或疏水性。

另一种方法是通过在材料表面沉积一层特殊化学剂,形成疏水层,从而实现超疏水性。

这些化学剂通常是疏水性的有机物。

例如,将玻璃表面浸泡在含有有机硅化合物的溶液中,可形成一层无定形的氟碳链结构,使玻璃表面具有超疏水性。

除了超疏水材料的制备方法外,对其表面性能的研究也是必不可少的。

在超疏水材料表面的液滴接触角方面,研究者通常关注两个参数:液滴接触角和液滴滑移角。

液滴接触角是指液滴在材料表面上的接触角度,接触角越大表示材料表面越具有超疏水性。

液滴滑移角是指液滴从材料表面滑自由滑落的角度,滑移角越小表示材料表面对液滴滑落具有较好的抗粘性能。

研究这些参数可以更好地理解超疏水材料的表面性能,从而为其在实际应用中的推广提供有力的依据。

超疏水材料在很多领域有着广泛应用的前景。

在航空航天领域,超疏水材料可以应用于飞机表面,减少空气阻力,提高飞行效率。

在建筑工程中,超疏水材料可以应用于玻璃窗、屋顶等部位,使其具有自洁功能,减少清洗维护成本。

此外,超疏水材料还可以应用于医学领域、环境保护领域、能源和化学领域等。

对镁基体超疏水表面制备工艺的进一步研究

对镁基体超疏水表面制备工艺的进一步研究

对镁基体超疏水表面制备工艺的进一步研究摘要:采用自组装方法,在镁基体表面制备超疏水硬脂酸盐分子层,并采用多种技术探究制备过程中各种因素的影响作用。

研究表明用水取代过氧化氢处理金属表面同样可以形成具有超疏水性能的硬脂酸膜,且该层膜呈现出层状结构而非过氧化氢处理所得的花瓣状结构。

可以有效防止镁的局部腐蚀。

关键词:镁自组装方法超疏水工艺近年来受到仿生学的启发,超疏水表面的研究引起科学界广泛的兴趣。

对超疏水自清洁功能表面的研究和推广正向多元化和智能化方向发展,正在形成一个独立的研究方向。

人们对超疏水的认识主要来自对植物表面的分析,Barth lott和Neinhuis通过对植物叶表面的微观结构观察,认为自清洁特性是由表面上微米结构的乳突以及表面存在的蜡状物共同引起的。

Feng等人对荷叶表面微米结构进行观察,发现荷叶表面存在微米结构与纳米结构相结合的阶层分形结构并认为这种结构是引起表面超疏水的根本原因。

通过对植物叶表面的分析,很多研究者展开了超疏水表面的研制。

自1996年Onda等首次在实验室合成出人造超疏水表面,超疏水表面改性在世界范围内引起广泛的关注,并拥有着广阔的应用前景。

自2010年我们小组在镁基体表面构建超疏水表面后国内一系列学者参与到该研究中来。

在我们进一步的实验研究中发现了一种水处理替代过氧化氢处理的方法。

该文重在介绍新的镁基体超疏水硬脂酸膜的自组装方法。

并对所制得超疏水膜表面制作工艺进行了研究。

1 实验方法1.1 试样预处理将镁试样(纯度99%)切割成2cm× 2cm×0.5cmcm的小块,然后在工作面的背面焊接导线,接着在模具中利用环氧树脂封包除工作面外的五个面,固化后取出。

采用600#、1000#和1500#水磨砂纸逐级打磨试样,然后用去离子水、乙醇超声波振荡清洗后置于干燥器中备用。

1.2 酸处理表面酸处理不但可以清洗金属表面沾染的各种污物和杂质,还能够蚀刻金属表面,初步形成微/纳结构。

超疏水表面的原理及应用

超疏水表面的原理及应用

超疏水表面的原理及应用摘要:超疏水表面有着广泛的应用前景,比如在减阻、润滑等方面。

本文主要介绍了超疏水表面的基本理论和相关制备方法,以及它的两种影响因素和相关研究进展,并在此基础上归纳总结了超疏水表面应用的一些优缺点。

关键词:超疏水表面、润湿性、微/纳米结构、防冰冻、减阻超疏水表面的基本原理1. 自然界中有很多动植物的表面具有超疏水的性质,例如玫瑰和荷叶。

仿照生物表面的微观结构,人们开始关注仿生材料。

通过对这些生物的研究,人们对于超疏水表面的认识更加深入,新技术在生活中的应用更加广泛。

1.1超疏水表面的基本理论当液体与固体接触时,液体沿固体表面扩展的现象称为液体与固体的浸润现象。

在气体、液体、固体三相的交界处作液体表面与固体表面的切线,则此切线所构成的液体内部的夹角θ即为接触角。

液滴在斜面上时,随着斜面倾斜角的增大,液滴开始滚动的临界角则定义为滚动角。

在理想固体表面上,接触角由三相的表面张力决定,并满足Young’s[1]方程:cosθ=(γsg-γsl)/γlgγsg、γsl 、γlg分别为固-气、固-液、气-液间的表面张力。

由于真实固体表面并非理想固体的光滑表面,故必须还要考虑表面的粗糙度。

提出相关的较为成熟的基本理论有Cassie状态及Wenzel状态等。

Cassi研究了组成不均一的固体表面对液滴浸润性的影响[2]。

在Cassie理论中,水滴未进入固体表面粗糙的微孔,从而形成水滴与空气膜界面。

Cassie方程为:cosθc=f1cosθ1+f2cosθ2θc为表观接触角,θ1、θ2分别为液-气、固-气的接触角,f1和f2为液体、固体表面和空气接触的比例。

而Wenzel[3]理论则描述了水滴完全湿润固体表面,与固体不存在空气膜的情况。

Wenzel提出的接触角方程为:cosθw=r(γsg-γsl)/γlg=r cosθ其中r为表面粗糙因子。

当接触角小于90°时,表面为亲水性表面;当接触角大于90°时,表面为疏水性表面;当接触角大于150°,且滚动角小于10°时,表面称为超疏水表面。

超疏水涂层在防腐阻垢领域研究进展

超疏水涂层在防腐阻垢领域研究进展

2023年6月刘战剑等:超疏水涂层在防腐阻垢领域研究进展方向接近晶核,最终形成黏附力较强的方解石。

而超疏水表面所具有的纳微结构对结晶的生长产生了空间限制,使晶体的生长方向受限,更容易形成针状的文石或者不标准的方解石,极大降低了结垢的黏附力,使其更容易从接触面脱落。

此外,Liu 等[33]研究发现裸铝基体覆盖有经典的菱形方解石晶体,如图5(a)、(b)所示;而超疏水表面上则生长了形状不规则、体积较小的文石,如图5(c)、5(d)。

与方解石相比,文石的附着性较弱,在流体环境中极易从金属基体表面脱落。

因此,超疏水表面纳微粗糙结构形成的“空间限制作用”是实现表面优异阻垢性能的关键因素。

2 超疏水涂层在防腐及阻垢领域的研究进展受自然界特殊浸润性表面的启发,超疏水涂层作为防腐阻垢的新技术逐渐引起了广大研究人员的注意,随着研究的不断深入,人们制备了不同类型的具有优异防腐阻垢性能的超疏水涂层。

本小节将简要地介绍近年来超疏水涂层在防腐、阻垢两个领域的研究进展。

2.1 防腐领域研究进展金属腐蚀会造成装备失效、作业效率降低、资源浪费、经济损失、环境污染等问题,严重时甚至会威胁工作人员的人身安全[34]。

目前比较常用的金属防腐手段主要包括:添加缓蚀剂、电化学保护、涂层保护[35-37]等方法。

但由于腐蚀环境复杂多变,工业生产及生活中对金属材料的防腐性能需求越来越高,普通的防腐手段已经无法满足当前的需求。

在金属基体上制备人工超疏水表面为解决金属材料腐蚀问题提供了一种新型高效的技术办法[38-41],目前超疏水防腐涂层根据其使用的材料主要分为无机超疏水涂层、有机超疏水涂层、有机/无机杂化超疏水涂层三大类。

2.1.1 无机超疏水防腐涂层通过激光刻蚀[42]、电化学沉积[43]、水热法[44]等方法可以在金属基体表面直接构建特殊的纳微结构,随后通过低表面能修饰,从而使金属表面具备超疏水的特性,以达到防腐的目的。

例如,Chu 等[45]通过简单的水热法制备了一种由CeO 2和硬脂酸铈[Ce(CH 3(CH 2)16COO)3]组成的超疏水涂层。

金属材料表面超疏水涂层的研究进展

金属材料表面超疏水涂层的研究进展

金属材料表面超疏水涂层的研究进展目录一、内容描述 (2)1. 超疏水涂层的定义与意义 (3)2. 金属材料表面处理技术的发展背景 (4)二、超疏水涂层材料的研究进展 (5)1. 纳米材料在超疏水涂层中的应用 (6)纳米TiO2、SiO2等颗粒的制备与应用 (7)纳米复合材料的设计与性能优化 (9)2. 有机高分子材料在超疏水涂层中的应用 (10)涂层材料的表面接枝改性技术 (11)自组装单分子层的构筑与性能研究 (12)3. 生物启发型超疏水涂层的研究 (13)蜡烛蜡、硅酮等生物启发材料的模仿与应用 (14)生物矿化原理在涂层设计中的应用 (15)三、超疏水涂层制备方法的研究进展 (17)1. 化学气相沉积法 (18)2. 动力学激光沉积法 (19)3. 离子束溅射法 (20)4. 溶液沉积法 (21)5. 微纳加工技术 (22)四、超疏水涂层性能评价及优化策略 (23)1. 表面张力与接触角测量 (24)2. 耐磨性、耐腐蚀性等性能评估 (26)3. 涂层稳定性与耐久性分析 (27)4. 性能优化策略与实验方法 (28)五、超疏水涂层在特定领域的应用研究进展 (29)1. 抗生物污染涂层的研发与应用 (30)2. 防腐蚀保护涂层的性能研究 (32)3. 光学性能改进的超疏水涂层设计 (33)4. 涂层在航空航天、电子电气等领域的应用探索 (34)六、结论与展望 (35)1. 超疏水涂层技术的发展趋势 (36)2. 存在的问题与挑战 (38)3. 未来研究方向与应用前景展望 (39)一、内容描述随着科技的不断发展,材料科学领域对于表面性能的要求日益提高,尤其是在防水、防污、自清洁等方面具有特殊需求的材料。

金属材料作为现代工业的重要基础材料,其表面性能的优劣直接影响到产品的使用寿命和可靠性。

对金属材料表面进行超疏水涂层的研发和应用成为了当前研究的热点。

超疏水涂层是一种具有特殊表面性能的涂层,其表面的水接触角大于150,表现出“荷叶效应”,即水滴在涂层表面上能够迅速滚落,而不会附着和渗透。

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金属基体超疏水表面制备及应用的研究进展Progress in Fabrication and A pplicat ion ofSuperhydrophobic Surfaces on M etal Substrat es徐文骥,宋金龙,孙 晶,窦庆乐(大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连116024)XU Wen ji,SONG Jin long,SUN Jing,DOU Q ing le (Key Labor ator y for Precision and No n traditio nal M achining Technolog y fo r M inistry of Education,Dalian U niversity of T echno logy,Dalian116024,Liaoning,China)摘要:在介绍润湿性相关理论的基础上,综述了国内外金属基体超疏水表面的制备方法及应用,重点讨论了阳极氧化法、电化学沉积法、化学腐蚀法、化学沉积法、一步浸泡法、热氧化法、模板法、复合法等,及超疏水表面在响应开关、自清洁、流体减阻、耐腐蚀、防冰霜、油水分离、微型水上运输器等方面的应用,最后评述了各种方法的特点,提出了在金属基体上制备超疏水表面所面临的问题。

关键词:金属基体;超疏水表面;研究进展中图分类号:T G66 文献标识码:A 文章编号:1001 4381(2011)05 0093 06Abstract:On the basis of the fundamental theories,the fabr ication and application of superhydropho bic surfaces on metal substrates w er e r eview ed.It em phasized to discuss preparation methods of anod ization,electro chem ical depositio n,chem ical etching,chemical deposition,one step solution imm er sion,thermal ox idatio n,template,co mposite,etc.Super hy drophobic surfaces on m etal substrates w ere also summarized in the applicatio n of response sw itch,self cleaning,drag reduction,corro sion resistance,anti icing,w ater and oil m ixture separatio n,miniatur e transporter over w ater.M ean w hile,characteristics of different kinds o f techniques w ere discussed.Finally,the pr oblem s about fabricatio n of super hy drophobic sur faces on m etal substrates w er e bro ug ht fo rw ar d.Key words:metal substrate;superhydropho bic surface;research progr ess润湿性是固体表面的重要性质之一[1],常用接触角来衡量,当接触角小于90 时为亲水表面,小于5 时为超亲水表面,大于90 时为疏水表面,大于150 时为超疏水表面。

在自然界中,到处可见超疏水现象,荷叶、水稻叶子等植物叶片具有自清洁效应,水黾能够毫不费力地站在水面上[2],蝴蝶翅膀能在雨中不被淋湿。

1996年Onda等[3]首次报道了人工合成超疏水表面, 1997年,德国植物学家Bar thlott和Neinhuis[4,5]对植物的超疏水性进行了系统研究,发现荷叶的自清洁性是由表面微米结构和表面蜡层共同引起的。

江雷等[6]对荷叶的进一步研究,发现微米结构的乳突上还存在纳米结构,而微纳米结构和表面蜡层共同作用是引起荷叶表面超疏水的根本原因。

由于超疏水表面具有自清洁[7,8]、减阻[9-11]、耐腐蚀[12,13]、防结冰[14-19]等特性,而金属材料在工农业生产中又被广泛地应用,因此研究金属基体超疏水表面的制备方法及应用极为重要,也引起了各国研究人员的极大兴趣。

1 相关理论1.1 Yong氏模型当少量液滴滴在理想固体(绝对光滑)表面,在固、液、气三相的交界处,由固、液界面经过液体内部至液、气界面的夹角称为接触角 ,其大小满足Yo ng氏方程[20]:cos =( sg- sl)/ lg(1)式中: sg, sl和 lg分别表示固 气、固 液、液 气界面的表面张力。

由式(1)可得,当液体确定时,即 lg确定时,接触角 随着( sg- sl)值的减小而增大,但由于受到材料限制,( sg- sl)并不会无限制地降低,即 值并不会一直增大。

目前实验资料表明[21],疏水性最好的材料EC721,其光滑表面的接触角 仅为119.05 ,该角度远没有达到超疏水的要求。

1.2 Wenzel模型由于实际表面均存在粗糙度,而粗糙度对润湿性有一定的影响,因此Wenzel[22,23]对Yong氏方程进行了修改,如式(2)所示:co s w=r co s (2)此方程被称为Wenzel方程,式中:r为粗糙度因子,其值为固 液实际接触面积和表观接触面积之比; w为液滴在粗糙表面上的接触角; 为液滴在同种材料的理想表面的接触角。

由于r总是大于1,因此当 <90 时, w随着r的增大而减小,表面变得更亲液;当 > 90 时, w随着r的增大而增大,表面变得更疏液。

由于固体和液滴的接触面积较大,所以液滴与固体的黏附力较大,这就导致了液滴的滚动角也比较大(滚动角定义为一定质量的水滴在倾斜表面开始滚动时的临界角度)。

1.3 C assie Baxter模型Cassie和Baxter[24,25]认为液滴与粗糙固体表面的接触是复合接触,液滴不会填充满粗糙面上的凹槽,且凹槽里会充满空气,即液滴的下部同时存在空气和固体,所以表观上的固 液接触面实际上由固 液接触面与气 液接触面共同组成。

复合接触的Cassie Bax ter方程如下:cos c=f1co s -f2(3)式中: c为液滴在粗糙表面上的接触角; 为液滴在同种材料的理想表面上的接触角;f1,f2分别为固 液接触面和气 液接触面在复合接触面中所占的比例,即f1+f2=1。

由式(3)可知,当 >90 时, c随着f1的减小而增大。

由于该状态是通过减小固 液接触面积来增大接触角的,因此液滴与固体之间的黏附力较小,这导致液滴在该表面上具有较小的滚动角。

2 金属基体超疏水表面的制备方法目前超疏水表面的制备主要有两种思路:(1)在低表面能材料上构建合适的二元微纳米结构;(2)用低表面能材料修饰具有合适二元微纳米结构的表面。

由于金属表面大多为亲水表面,因此常用第二种思路制备金属基体超疏水表面;又因为要求制备的超疏水表面具有较小的滚动角,所以在制备时参考的模型是Cas sie Bax ter模型。

目前,金属基体超疏水表面的常用制备方法有阳极氧化法、电化学沉积法、化学腐蚀法、化学沉积法、一步浸泡法、热氧化法、模板法、复合法等。

2.1 阳极氧化法阳极氧化法是指将工件置于电源的阳极,依靠阳极氧化的方法来制备微纳米结构。

Wang等[26]以磷酸为电解液,采用阳极氧化的方式,在退火铝表面加工出多孔结构,再经低温等离子体处理后,获得了更粗糙的微纳米结构,经三氯十八烷基硅烷修饰后,呈超疏水性,对水的静态接触角为157.8 。

Yin等[13]采用与Wang相似的方法也获得了多孔氧化铝超疏水表面。

Wu等[27]先后以硫酸钠和草酸为电解液,采用两步阳极氧化法,制备出由氧化铝纳米丛构成的多元结构,经全氟辛基三氯硅烷修饰后,呈超双疏性质,对水的接触角达到170.2 ,对原油、硅油等接触角也均超过150 。

2.2 电化学沉积法电化学沉积法依靠阴极发生还原反应的性质,在工件表面沉积出微纳米结构。

Zhang等[28]在组装有多层聚电解质的铟锡氧化物(IT O)电极上电化学沉积树枝状金簇,经过正十二硫醇修饰后获得超疏水表面,静态接触角达156 ,滚动角约为1.5 。

该研究小组[29]还在IT O上沉积了树枝状银簇,化学修饰后的接触角为154 。

Li等[30]在ITO上电化学沉积不规则多孔粗糙氧化锌薄膜,经氟硅烷修饰后,接触角为(152 2) 。

Shirtcliffe等[31]利用掩模光刻技术和电化学沉积技术将硫酸铜溶液中的铜元素沉积到光滑铜表面,获得了高4 m、直径40 m的双尺度离散状粗糙铜柱,经氟碳化合物修饰后呈超疏水性,接触角达165 。

Yu 等[32]先在金上沉积金簇,再将其浸泡在H S(CH2)9CH3和H S(CH2)10COOH的混合液中,获得烷基和羧酸基的复合层,修饰后的表面呈超疏水性。

Xi等[33]将易与乙醇溶液中脂肪酸分子发生反应的金属铜作为阳极,铜、锌、铝、镍、铁、钛分别为阴极,以脂肪酸为电解液,制备出了微纳米结构的金属脂肪酸微簇薄膜表面,该表面不仅对纯水有超疏水性能,而且还对全pH值范围内的酸碱溶液、Na2CO3溶液、NaCl溶液等腐蚀性很强的液体都具有超排斥性,其中在铜表面上生成的十四酸铜微簇对水的静态接触角为160 ,滚动角为2 。

2.3 化学腐蚀法化学腐蚀法是指将工件置于强酸或强碱性等溶液中,依靠溶液的腐蚀性在金属表面加工出微纳米结构。

Qian等[34]利用金属中缺陷优先腐蚀的性质,采用位错腐蚀剂对铝、铜、锌表面进行化学腐蚀,当晶面暴露在相应的位错腐蚀剂中时,在位错露头处将形成凹坑,经氟硅烷修饰后,制备出超疏水表面,接触角大于150 ,滚动角小于10 。

李艳峰等[35]采用盐酸溶液对铝合金进行化学腐蚀,获得了由长方体状凸台和凹坑构成的深浅相间的 迷宫型 微纳米结构,再经过氟硅烷修饰后获得了具有超疏水性质的表面,接触角达到156 ,接触角滞后为5 。

Sarkar等[36]采用与李艳峰相同的方法得到接触角为164 的铝超疏水表面。

Guo等[37]用NaOH溶液分别腐蚀铝和铝合金,得到了多孔铝表面和孤岛状铝合金表面,经低表面能材料修饰后,呈现超疏水性,铝超疏水表面对水的接触角达到(168 2) ,铝合金超疏水表面的接触角为(152 2) ,它们对水的滚动角均小于2 。

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