关键词：
超疏水
电火花加工
扩散连接
微纳复合结构
TC4钛合金
摘要：
表面润湿性是材料的关键属性之一,对材料的应用具有深远的影响,因此开发功能润湿表面具有重大意义。受自然界中生物的启发,超疏水表面因其具有良好的耐腐蚀、自清洁、流体减阻和抗结冰等性能受到广泛关注和研究。然而,目前制备超疏水表面的工艺尚不成熟,对材料腐蚀性能的影响还待探索。本文分别设计并制备多种具有不同尺度的微观结构表面,通过电火花加工技术制备了宏观沟槽结构,分析紫外光控润湿性表面的润湿机理,后以扩散连接和化学刻蚀的方法构建了微米级沟槽结构,开发具有各向异性的超滑表面,复合电火花加工制备双尺度微米级结构,最后以喷涂法和沉积法合成氧化铈纳米结构,制备具有优异耐腐蚀性能的微纳复合结构超疏水表面。
以TC4钛合金为基体,采用电火花加工技术,在无需任何表面化学修饰的条件下,通过简单地调控工艺参数,成功制备了具有高粘附性的超疏水表面,接触角可达151.2°,分析了表面的物相组成及粗糙形貌,发现电火花加工后的表面主要由Ti O0.48氧化物组成。利用氧化钛的光致亲水性,实现了可逆的润湿性转变。经紫外光照射8h后,表面展现超亲水特性,而避光处理7天后,又可恢复超疏水特性,该润湿性转变是多次可逆的。同时,研究发现该表面在水下均展现出超疏油、超疏气特性,其接触角均大于150°,紫外光控制表面对油滴及气泡的粘附性而非润湿性,紫外处理后油滴的滚动角由45°降低到4°,而气泡的滚动角由28°降低到2°,分析认为该现象是由于“Cassie-Wenzel”混合润湿状态引起的。利用这种独特的润湿现象,实现了空气中水滴的“无损转移”及水下油滴的“定向移动”。为了增加表面粗糙度,在原本的表面加工出沟槽结构,研究了凸起宽度及沟槽深度对润湿性的影响。研究发现,随着凸起宽度的减少,沟槽深度的增加,表面对水滴的粘附力明显下降,接触角略有上升,滚动角明显降低。当凸起和沟槽宽度均为200μm,沟槽深度超过600μm时,滚动角在平行沟槽方向为16°,垂直沟槽方向为35.5°。进行电化学腐蚀测试发现,电火花加工制备的超疏水表面未能提高耐腐蚀性能,这是由于所制备的超疏水表面处于Wenzel润湿状态,极大地增大了表面与液体的接触面积。
采用扩散连接的方法制备了TC4/304叠层材料,分析了接头典型界面组织,发现连接界面的主要由Fe-Cr、Fe2Ti、Fe Ti、Ti2Ni和β-Ti化合物构成。经工艺参数优化后,在扩散连接温度为900℃、保温6 min时,扩散反应层较薄,界面形成良好连接,叠层材料稳固。利用钛合金和不锈钢的化学性质差异,通过刻蚀法成功构建了微米级沟槽阵列结构,相较于电火花加工制备的结构,该阵列结构更精确可控。研究了沟槽结构对表面润湿性的影响,发现随着凸起宽度的减少、沟槽宽度的增加、沟槽深度的增加,接触角逐渐提高,并利用COMSOL软件建立了微米级沟槽阵列的润湿模型,用以分析沟槽形貌对润湿性的影响机制。利用沟槽结构具有方向性的特点,填充全氟聚醚后,成功制备了具有各向异性的超滑表面,水滴在平行方向的滑动角为14.5°,而在垂直方向为26.4°,水下气泡在平行方向的滑动角为14.1°,而在垂直方向为37.9°,并实现了水滴及气泡的定向移动。复合电火花加工技术,构建了双尺度微米级结构,表面疏水性能显著提高,在垂直方向接触角达到154.9°,滚动角降低至20.5°,耐腐蚀性能明显提升,腐蚀电位提高至0.381 V,腐蚀电流降低至1.118×10-8A/cm2,此时所制备的表面润湿状态处于Wenzel与Cassie之间,这表明在耐腐蚀方面Cassie润湿状态优于Wenzel润湿状态。
为了进一步提高表面粗糙度,以双尺度微米级结构为基础,采用喷涂法和化学沉积法分别构建微纳复合结构。首先,采用水热法合成了氧化铈纳米管,研究了工艺参数对形貌的影响,在120℃下水热反应24 h制备了具有中空结构、形貌良好、尺寸合适的纳米管,直径小于100 nm,长度在1μm左右。掺杂粘结剂后喷涂获得了微纳复合结构表面,其滚动角在垂直方向仅为4.5°,平行方向为2°,且具有良好的耐磨性。采用阴极沉积法在双尺度微米级结构上制备了氧化铈涂层,工艺参数为0.10 mol/L浓度的Ce（NO3）3溶液、添加3 ml的H2O2,沉积电流密度为2.0 m A/cm2,沉积时间为15 min,利用氧化铈自身疏水的特性,成功避免了修饰剂的使用,该表面具有良好的超疏水特性,其滚动角在垂直方向为5°,在平行方向为2.5°,。两种方法制备的超疏水表面,均具有良好的化学稳定性及耐久性。由于粘结剂的存在,喷涂法制备的表面具有更佳的耐磨性,经50次磨擦后依然保持超疏水特性;而未使用修饰剂的沉积法制备的表面具有更为优异的热稳定性,可以经受200℃高温。相较于只有微米级结构的超疏水表面,微纳复合结构表面的润湿状态为Cassie润湿状态
