316L不锈钢疏水表面的制备研究

作     者：秦刘娟 

作者单位：沈阳理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭广思

授予年度：2022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：316L不锈钢 疏水性能 喷丸 电化学刻蚀 接触角 分形维数 

摘      要：金属由于具有较低的表面自由能,是典型的亲水材料,所以在金属表面的构造微观仿生疏水结构具有较大的研究意义。在固体亲水材料表面构建合适的微纳米复合结构是使其具备疏水性能的关键手段。316L不锈钢在工业、海洋,以及人们的生产、生活等领域应用十分广泛,使316L不锈钢具备良好的疏水性能在其表面的自清洁、防腐蚀、润滑减阻等方面具有潜在应用价值。近年来,金属疏水表面的制备方法层出不穷,但是大多数方法只能用于小规模的实验研究,且制备成本高,如沉积法、自组装法、阳极氧化法和水热法等等。本研究基于塑性变形原理,采用喷丸法这种快速、低成本、操作简单,适用范围广的方法,通过喷丸工艺控制不锈钢的表面形态,在316L不锈钢表面形成粗糙结构,再与电化学刻蚀法相结合,进一步形成微纳米复合结构,再采用低自由能的聚四氟乙烯（PTFE）进行低表面能修饰,在表面覆盖一层低能材料。使用金相显微镜、激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜来观察处理后的试样表面微观形貌和测量表面粗糙度;采用MATLAB分析表面分形维数;用接触角测量仪来获得表面接触角以表征其疏水性能。喷丸粒度大小和喷丸时间长短对表面结构的构筑具有一定的影响规律。研究发现,喷丸粒度越小,得到的表面微观结构越细小均匀,表面粗糙度和分型维数值越大,疏水性越好;随着喷丸时长的增加,表面疏水性能先提高后下降。用喷丸、电化学刻蚀和低表面能修饰相结合的方法成功的在原本亲水的316L不锈钢表面上构建出了疏水性能:（1）处理前后表面与水滴的平均接触角由原始的45°增加到137.4°,疏水性能有了明显改善。（2）喷丸后表面形成了典型的微米级粗糙凹凸形貌;在喷丸后的粗糙表面上进行电化学刻蚀,进一步细化表面结构,形成了微米级凹坑、亚微米腐蚀坑和纳米台阶相结合的多级分形结构。（3）原始光滑的316L不锈钢表面不存在分形结构,分形维数D值为0,喷丸后粗糙表面的分形维数值D达到1.8,喷丸-电化学刻蚀后分形维数值D增加到2.1。（4）水滴与微观粗糙表面的接触遵循Cassie模型,经计算得出,本研究中疏水角为137.4°的粗糙表面上水滴与空气的接触面积占整个面积的84.6%,与316L不锈钢固体表面的接触面积只占15.4%。采用这种低成本,高效的制备方法在金属表面构造多尺度微结构以改善疏水性能具有可行性。