电腐蚀法快速制备铁基超疏水表面

作     者：孙庆贺 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘洪涛

授予年度：2016年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：超疏水 铁基 电腐蚀 接触角 仿生 分形 

摘      要：超疏水表面具有自清洁、防结霜、减小与水流之间的摩擦阻力、抑制表面腐蚀等特点,在催化、润滑、防水、生物医疗材料等领域中具有广泛的应用前景。由于钢铁材料是应用最广泛的工程材料,所以在钢基体上制备超疏水表面具有重要的意义。本文首先对鸭子羽毛的微观形貌进行分析和分形表征,在此基础上结合金属的金相组织采用电腐蚀的方法在Q345基体上制备了超疏水表面,并研究了电腐蚀工艺参数、电腐蚀机理、表面的润湿性、分形维数、及其耐腐性能、耐磨性、抗结霜性能。研究了鸭子羽毛的微观结构,测量了其接触角为154±0.5°,滚动角3°,研究表明与水滴的接触为Cassie模型。通过盒维数的方法计算出其分形维数为2.46。制定了仿鸭子羽毛表面电腐蚀工艺,并观察分析了电腐蚀法制备的超疏水表面的形貌特征。结果表明采用电腐蚀法结合低表面能物质处理能够制备出仿鸭子羽毛超疏水表面,其接触角可达152°,滚动角1-2°。制备的超疏水表面有很低的粘附力。对超疏水表面的形貌、分形维数、疏水机理研究表明,电腐蚀法制备的超疏水表面具有与鸭子羽毛类似的层片状粗糙结构,其分形维数为2.70。用电腐蚀法成功在40Cr、65Mn、45号钢、GCr15、16Mn钢表面制备出了超疏水表面,表明通过电腐蚀法制备铁基超疏水表面具有较好的普适性。所制备的Q345超疏水表面和普通Q345碳钢表面相比,具有更高的自腐蚀电位和更小的腐蚀电流密度,即具有更好的耐腐蚀性能。结霜试验表明,所制备的超疏水表面比普通表面单位面积可减少一半的结霜量。化学稳定性试验表明,所制备的Q345超疏水表面具有化学稳定性,可用于防酸雨。摩擦试验表明,电腐蚀法制备的Q345超疏水表面具有优秀的耐磨性,可在4641.7Pa下在800目的砂纸上摩擦80cm仍然保持较好的疏水性能,并且用电腐蚀法可以方便、快捷、大面积的对粗糙结构进行二次修复,而且不受限于工作条件,可用于野外施工。综上所述,本课题在研究鸭子羽毛分形维数的基础上,结合金属金相特点,通过电腐蚀的方法在铁基体表面成功制备了超疏水表面,该表面具有许多优异的性能。本研究对金属表面超疏水的工业化应用具有重要的理论与实际价值。