激光与电沉积组合制备各向异性润湿表面及其性能研究

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表面润湿在自然界中很普遍,各种生物表面通过进化和物种选择逐渐产生对自身有益的润湿性质。受生物表面润湿性质的启发,这些类生物表面的人工功能性润湿表面已经被开发出来,例如各向异性润湿表面和超疏水表面等。目前,各向异性润湿表面和超疏水表面已经可以通过多种加工方法在多种材料上实现,但是各向异性润湿的超疏水表面的制备大多使用有机材料作为基底,而对同时具备各向异性润湿和超疏水特性的金属表面的制备研究相对较少。本文详述了一种激光电化学沉积组合制备各向异性润湿的超疏水表面的过程,先后在不锈钢表面制备了沟槽阵列结构和微纳米乳突结构,并分析不同加工阶段各向异性表面的润湿性能以及相应的液滴接触模型。本研究提出的激光电化学沉积组合工艺,具体包括激光烧蚀、脱脂处理和电化学沉积工艺。首先,利用激光烧蚀可以在金属表面快速制备微米结构的特点,在不锈钢表面制备沟槽阵列结构。然后,为了提高电沉积涂层和基底的结合力,利用脱脂处理去除沟槽阵列结构表面的熔渣和油污。最后利用电化学沉积可以加工不同形状表面以及制备微纳米结构的特点,在沟槽阵列结构表面制备微纳米乳突结构。本文主要研究内容如下:(1)结合表面润湿的理论基础以及各向异性润湿和超疏水的研究现状,并根据现有的润湿性表面理论基础,分析现有的各向异性润湿和超疏水表面的构筑策略,提出各向异性润湿的超疏水表面的设计策略,最终提出激光烧蚀和电化学沉积组合工艺的方法来制备各向异性润湿的超疏水金属表面。(2)根据各向异性润湿表面的设计策略,使用皮秒激光烧蚀的方法制备各向异性沟槽结构表面。首先,设计正交试验初步确定激光参数对沟槽结构形貌的影响权重。然后运用单因素变量试验的方法研究皮秒激光参数(扫描速度,扫描次数和扫描间距)对各向异性沟槽结构(周期间隔,深度)的影响。结果表明当激光功率为4.8 W和扫描速度为350 mm/s时,可以制备出规整有序的沟槽阵列结构,并且通过控制扫描次数和扫描速度可以控制沟槽阵列结构的周期间隔和深度。(3)通过测量垂直和平行于沟槽方向的滚动角和接触角,分析具有不同周期间隔和深度的各向异性沟槽结构的润湿性能,来研究沟槽结构对于各向异性润湿性能的影响。根据建立的液滴接触模型,发现沟槽阵列的周期间隔越大,接触角各向异性越大。两个方向上粘附性的差异也就越大,滚动各向异性也越大。(4)根据超疏水表面设计的策略,使用电化学沉积的方法制备可控的超疏水表面。首先,运用单因素变量的方法来研究电化学沉积参数(电流密度,沉积时间和盐酸乙二胺的摩尔浓度)对微纳米结构的影响以及润湿性能的影响。然后对电沉积制备的微纳米结构的耐久性和耐腐蚀性进行研究。结果表明当电流密度为2.0 A/dm~2、盐酸乙二胺的摩尔浓度为0.3mol/L和电沉积的时间为180 s时,可以制备出致密分布的微纳米分级的乳突结构,此时接触角达到最大值为157.12°,并且制备的表面表现出良好的耐久性和耐腐蚀性。(5)根据各向异性润湿的超疏水表面设计的策略,使用皮秒激光烧蚀和电化学沉积组合工艺制备各向异性润湿的超疏水表面并研究其各向异性润湿性能。结合建立的液滴接触模型,根据接触角和滚动角各向异性,粘附性对滚动角各向异性的作用可以忽略不计,沟槽阵列结构对水滴的阻碍作用更加明显。本文提出了一种的各向异性润湿的超疏水表面设计策略,并利用组合工艺制备出了具有微纳米乳突结构的沟槽阵列结构表面,最终讨论了组合工艺对表面形貌以及各向异性润湿性能的影响,其同时具备各向异性润湿和超疏水功能的特点为其在微流体系统、组织工程和表面水收集等领域的应用提供了新的思路和方法。
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