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《兰州交通大学》 2016年
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超疏水铝合金表面的构建及性能研究

晏忠钠  
【摘要】:铝及其合金具有良好的导电、导热性,延展性和很好的机械加工等特性。因此,其在有色金属中用量大、应用广。此外,铝合金具有外观好、质轻,且在一定程度上具有比钢铁等金属更好的耐腐蚀性能,从而在人们日常生活和工业领域被广泛使用。但是,铝合金在酸、碱、海水以及一些强腐蚀性的湿环境中容易被腐蚀,在极端气候条件下表面容易结冰结霜,在暴露的大气环境和一些特殊条件下其表面容易被污染,这些都不同程度的阻碍了铝及其合金的实际应用。由于表面超疏水化在一定程度上能够抑制材料的腐蚀,延迟结冰结霜时间和起到自清洁/防黏附的作用,因而在铝及其合金表面构建超疏水薄膜是提高铝及其合金的耐腐蚀性能、防结冰、防结霜以及自清洁性能的一种有效可行的办法。本研究通过简便可行的两步法(沸水处理+DMF-STA-H_2O浸泡)和一步法(DMF-STA-H_2O浸泡)成功构建得到了铝合金超疏水表面,对所制备的超疏水铝合金的表面结构、组成以及耐腐蚀、防结冰、防结霜和自清洁性能进行了详细研究,主要研究内容和结果如下:(1)两步法构建超疏水铝合金表面:用成本低廉、环保的两步法成功构建得到接触角为156.6°、滚动角小于3°的超疏水铝合金表面。研究了沸水处理时间、DMF-H_2O体积比和STA改性时间对超疏水铝合金表面微结构和表面润湿性能的影响并最终确定出最佳工艺条件如下:沸水处理5 min,DMF-H_2O体积比为1:1,STA改性24 h。结果表明:铝合金表面超疏水特性的获得是由大量微-纳米孔的花瓣状均质层状结构和表面接枝的低表面能物质的协同作用赋予的。(2)一步法构建超疏水铝合金表面:采用一步法成功使铝合金表面超疏水化,探索了DMF-H_2O体积比和STA改性时间对铝合金表面微结构及润湿性能的影响。结果表明:当DMF-H_2O的体积比为1:3、STA改性时间为35 h时,可以获得接触角高达155.5°、滚动角小于3°的超疏水表面。由于铝合金表面形成了大量微-纳米级空穴结构,其上接枝了低表面自由能的烃基疏水长链,空穴中留存有大量空气,因而水滴不能渗入其中而只能与表面突起相接触,表面受到外界稍微扰动,水滴便会滚落,因此铝合金表面便获得了优异的超疏水特性。(3)超疏水铝合金的耐腐蚀性能:采用电化学测试和盐水浸泡实验对超疏水铝合金的耐腐蚀性能进行了考察。电化学测试结果表明:相较于空白铝合金,超疏水铝合金的腐蚀电位正向移动而腐蚀电流密度显著减小。盐水浸泡0-90 d的空白和超疏水铝合金表面的润湿性、表面形貌和化学结构对比分析结果表明:点蚀是造成腐蚀的主要原因,主要腐蚀产物为Al(OH)3,超疏水铝合金表面上生成的腐蚀产物远比空白铝合金表面上的少。这些结果说明表面超疏水化可以显著改善铝合金的耐腐蚀性能,这是由于超疏水膜可以在界面处有效地捕捉大量的空气,阻碍了水中的腐蚀性介质与铝合金表面的直接接触,从而提高了铝合金的耐腐蚀性能。(4)超疏水铝合金表面的防结冰霜性能:通过模拟冰冻潮湿天气,对所制备的超疏水铝合金表面的防结冰霜性能进行了考察。结果表明:与空白试样相比较,相同温度下超疏水铝合金表面的结冰时间均要延缓5~9 min;相同结冰时间下,超疏水试样表面水滴结冰所需温度比空白试样表面降低了约2℃。此外,超疏水表面可以明显抑制霜晶的生长,且其霜晶融化后形成易于滚动的小液滴。这表明超疏水铝合金表面具有良好的防结冰霜性能。最后,对超疏水试样的防结冰和防结霜机理进行了探讨。(5)超疏水铝合金表面的自清洁性能:通过以下两种方法对超疏水铝合金表面的自清洁性能进行了考察。a)以碳粉、粉笔灰和烟灰作为模拟污染物,考察了水滴在覆有污染物的空白和超疏水铝合金表面滚动并带走污染物的效果;b)通过对比盐水浸泡后空白铝合金和超疏水铝合金表面吸附盐渍情况。结果表明:相对于空白铝合金,水滴在超疏水铝合金表面滚动时可以不留痕迹的将表面污染物带走,而由于强的疏水性和低的粘附力,超疏水表面具有防吸附盐渍的效果。这表明超疏水铝合金表面具有优异的自清洁性能。(6)超疏水铝合金表面构建方法优化:针对铝合金表面抛光打磨去除表面氧化层这一繁杂步骤,本研究通过探索,发现在不抛光打磨情况下同样能够成功构建超疏水铝合金表面,从而简化了铝合金超疏水过程。
【关键词】:超疏水 铝合金 耐腐蚀 防结冰霜 自清洁
【学位授予单位】:兰州交通大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TG174.4
【目录】:
  • 摘要4-6
  • Abstract6-12
  • 1 绪论12-26
  • 1.1 金属铝及其合金12-15
  • 1.1.1 铝的性能特点和应用12
  • 1.1.2 铝及其合金在使用中存在的问题12-15
  • 1.1.3 提高铝及其合金的耐腐蚀和防结冰霜性能的措施15
  • 1.2 超疏水表面15-23
  • 1.2.1 超疏水现象15-17
  • 1.2.2 超疏水表面的理论基础17-19
  • 1.2.3 超疏水表面的构建方法19-21
  • 1.2.4 超疏水表面的性能研究21-23
  • 1.3 超疏水铝基表面在制备及性能研究中存在的问题23-24
  • 1.4 本课题的研究意义、研究内容和研究目标24-26
  • 2 沸水处理+DMF-STA-H_2O溶液浸泡两步法构建超疏水铝合金表面26-41
  • 2.1 引言26
  • 2.2 实验部分26-29
  • 2.2.1 实验材料与仪器26-27
  • 2.2.2 超疏水铝合金表面的制备27-28
  • 2.2.3 超疏水铝合金表面的表征28-29
  • 2.3 结果与讨论29-40
  • 2.3.1 不同处理步骤后铝合金的表面形貌及润湿性29-31
  • 2.3.2 超疏水铝合金的表面化学结构31-32
  • 2.3.3 沸水处理时间对铝合金表面微结构和润湿性能的影响32-34
  • 2.3.4 DMF-H_2O的体积比对表面微结构和润湿性的影响34-36
  • 2.3.5 硬脂酸改性时间对表面微结构和润湿性的影响36-38
  • 2.3.6 超疏水铝合金表面的微观形貌及疏水机理探讨38-40
  • 2.4 本章小结40-41
  • 3 DMF-STA-H_2O溶液浸泡一步法构建超疏水铝合金表面41-54
  • 3.1 引言41
  • 3.2 实验部分41-43
  • 3.2.1 实验材料41-42
  • 3.2.2 实验仪器设备42
  • 3.2.3 试样制备方法42-43
  • 3.2.4 超疏水表面的表征43
  • 3.3 结果与讨论43-52
  • 3.3.1 超疏水铝合金表面的疏水多样性及稳定性43-44
  • 3.3.2 铝合金表面的微观形貌44-45
  • 3.3.3 超疏水铝合金表面的化学成分和化学结构分析45-47
  • 3.3.4 不同DMF-H_2O的体积比对表面微结构和润湿性的影响47-49
  • 3.3.5 STA改性时间对表面微结构和润湿性的影响49-51
  • 3.3.6 疏水机理分析51-52
  • 3.4 本章小结52-54
  • 4 超疏水铝合金的耐腐蚀性能研究54-69
  • 4.1 引言54
  • 4.2 实验部分54-55
  • 4.2.1 实验材料54
  • 4.2.2 试样的润湿性和化学组成表征54-55
  • 4.2.3 耐腐蚀性能测试55
  • 4.3 两步法制备的超疏水表面的耐腐蚀性能55-62
  • 4.3.1 铝合金试样的腐蚀电位和腐蚀电流密度55-57
  • 4.3.2 基于盐水浸泡实验研究超疏水铝合金表面的耐腐蚀性能57-62
  • 4.4 一步法构建的超疏水铝合金表面的耐腐蚀性能62-66
  • 4.4.1 铝合金表面的腐蚀电位和腐蚀电流密度62-63
  • 4.4.2 基于盐水浸泡实验研究超疏水铝合金表面的耐腐蚀性能63-66
  • 4.5 超疏水铝合金表面耐腐蚀性机理分析66-68
  • 4.6 本章小结68-69
  • 5 超疏水铝合金表面的防结冰霜和自清洁性能研究69-81
  • 5.1 引言69
  • 5.2 实验部分69-71
  • 5.2.1 实验材料69
  • 5.2.2 实验仪器69-70
  • 5.2.3 防结冰实验70
  • 5.2.4 防结霜实验70
  • 5.2.5 自清洁性能测试70-71
  • 5.3 结果与讨论71-79
  • 5.3.1 超疏水铝合金表面的防结冰性能71-73
  • 5.3.2 超疏水铝合金表面的防结霜性能73-76
  • 5.3.3 超疏水铝合金表面的防结冰和防结霜机理分析76-77
  • 5.3.4 通过不同污染物考察超疏水铝合金表面的自清洁性能77-78
  • 5.3.5 盐水浸泡方法考察超疏水铝合金表面的自清洁性能78-79
  • 5.4 本章小结79-81
  • 6 超疏水铝合金表面的制备工艺优化研究81-87
  • 6.1 引言81
  • 6.2 实验部分81-82
  • 6.2.1 实验材料与仪器81-82
  • 6.2.2 试样制备方法82
  • 6.2.3 超疏水膜的表征82
  • 6.3 结果与讨论82-85
  • 6.3.1 铝合金表面的微结构83-84
  • 6.3.2 铝合金表面的化学结构分析84-85
  • 6.4 本章小结85-87
  • 7 结论与展望87-89
  • 7.1 结论87-88
  • 7.2 研究展望88-89
  • 致谢89-90
  • 参考文献90-95
  • 攻读学位期间的研究成果95

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