新型耐用超疏水铜表面制备及其性能研究

作     者：高文 

作者单位：安徽建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：鲁祥友

授予年度：2024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：激光刻蚀 超疏水表面 ZnO-NPs@PDMS 耐久性 防结霜 

摘      要：水资源对于生产和日常生活至关重要,然而,在特定环境中,水分子的存在会促进微生物的生长,加速金属表面的腐蚀,并在电力传输过程中可能引发冰层的形成,导致能源的浪费。科学家们从自然界中某些生物(例如荷叶和蜻蜓)的疏水特性中获得灵感,已经设计并制造出具有超疏水性的新型材料。这种创新材料在当前和未来的许多应用领域,如防冻和自清洁技术,都展现了巨大的潜力。尽管这些材料在实际应用中可能会受到复杂环境因素的影响,特别是在面临机械强度和稳定性挑战时,这些因素可能会削弱材料的疏水性能,甚至降低其整体性能,从而缩短其使用寿命。因此,开发具有优异机械稳定性和耐久性的超疏水材料,对于它们的实际使用来说,已经成为了一个引起广泛关注的研究课题。 超疏水表面在基础研究和实际应用中具有重要意义而受到广泛关注。本研究根据蜂窝内部拓扑结构和荷叶表面形貌的微纳结构为灵感,采用纳秒激光雕刻技术和超疏水涂层相结合,设计并构建了具有蜂窝结构的超疏水铜表面。纳秒激光加工在获得宏观蜂窝结构的同时,在蜂窝结构底部形成多尺度的微纳结构。宏观蜂窝结构保护超疏水涂层,微纳结构提供粗糙度为超疏水涂层提供更高的附着力。利用扫描电镜(SEM)、激光共聚焦显微镜(OLS5000-SAF)对ZnO-NPs@PDMS涂层进行了形貌分析。此外还对复合结构的润湿性、自清洁性、耐久性和机械稳定性进行了分析。并从结霜时间和霜层厚度两方面对表面的防结霜性能进行了表征。结果表明,铜基复合表面具有超疏水(CA,156°,SA,3.9°)。经过防结霜效果测试,结果显示在冷面温度达到-10℃时,若霜层厚度维持在0.6mm,本研究制备的超疏水铜表面的霜层形成速度较普通铜表面慢了2.3倍冷面温度越高,防霜效果越明显,抑霜是宏观蜂窝结构与ZnO-NPs@PDMS涂层的共同作用。此研究制备的超疏水铜,在经历多重耐久性试验后,依然保持超疏水性能,机械损坏的涂层具有拒水性。在自清洁测试中,超疏水铜表面可以在冷面温度为-10℃、环境温度5℃下进行的冻融试验中具有高效的自清洁性能。制备的涂层绿色环保,不含氟化物,对耐用超疏水表面的研究及实际应用具有一定的参考价值。我们认为,本研究设计的纳秒激光刻蚀@ZnO超疏水铜表面有望用于建筑、交通、航天航空等领域。 图[40]表[5]参[90]