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应用广泛的轻金属具有比重轻、比强度高等优点,与超疏水表面技术结合可进一步提高其应用特性,如防水、抗污染、耐腐蚀等。近二十年来,研究人员对超疏水金属表面的制备及其应用特性进行了大量研究并取得了阶段性成果,但现有的金属超疏水表面的制备方法仍存在着工艺条件苛刻、操作过程复杂,综合成本高等不足。因此,进一步研发操作简便、成本低廉的工艺技术,是金属超疏水表面实用化进程中重要的研究方向。本文以铝合金和镁合金两种常用的轻金属作为研究对象,通过制备方法的创新与工艺参数的优化,实现了轻金属超疏水表面的低成本制备,为金属超疏水表面的制备方法提供了新的思路,也对其工业化生产起到积极的推动作用。
研究表明,高级饱和脂肪酸中的月桂酸、豆蔻酸、棕榈酸和硬脂酸,均可作为金属超疏水表面的低表面能修饰剂,修饰工艺易于控制并能显著降低制备原料的成本。一步法简化了金属超疏水表面的制备工艺,并降低了制备成本,制备的金属超疏水表面与水的接触角高达163°,疏水性能优异。采用盐酸刻蚀-硬脂酸原液浸泡和硫酸刻蚀-硬脂酸原液浸泡的方法,在化学活性较高的镁合金表面成功地制备出了超疏水表面,与水的接触角高达161°,制备方法简便易行、成本低廉。本文还分别利用硫酸刻蚀-阳极氧化、以及硫酸刻蚀-电沉积两种化学与电化学相结合的复合法,在镁合金表面获得了超疏水特性,接触角高达160°以上;其原理是通过化学刻蚀在镁合金表面得到一级粗糙结构,再通过电化学方法对镁合金表面进行低表面能的修饰以及二级结构的构建,制备工艺简单,可控性强,成本低廉。制备的铝合金和镁合金超疏水表面的粗糙结构均由微-纳复合结构组成,通过对表面疏水性能的研究,确定了较为理想的复合结构尺寸范围,分别为10μm左右的微米级结构和150nm左右的纳米级结构。
本文通过多种测试方法考察了轻金属超疏水表面的相关性能,所制试样均具有较高的水滴静态接触角,且表面黏附性低,疏水性能优异;金属表面具有良好的自清洁特性,抗污染能力强;金属表面的耐腐蚀性能得剑有效地提高,铝合金超疏水表面与镁合金超疏水表面的自腐蚀电位分别提高0.2v以上和0.03v以上,自腐蚀电流密度和腐蚀速率均显著降低;并且制备的轻金属超疏水表面均具有良好的持久性能。