仿生超疏水及耐腐蚀镁合金表面的制备与机理

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近年来,由于电子、航空航天、汽车机械制造、高精端仪器设备的快速发展,对有色金属的需求也随之越来越大。而镁合金系列产品由于是有色实用金属中的最轻的金属,具有高比强度、高比刚性,使其具有广阔的应用前景。但是,由于镁具有较高活性,镁合金表面较易耐腐蚀,严重制约了其应用与发展。本文借鉴自然界中典型植物叶表面具有疏水自洁功能,进行了镁合金表面仿生设计,通过激光加工、化学刻蚀、电沉积法等进行了仿生结构超疏水表面的制备,该表面都显示了较好的耐腐蚀性。不仅如此,本论文还基于生物智能调控的原理,以阳极氧化方法在AZ31镁合金基体制备了超疏水性表面,并对超疏水性及超亲水性的可逆变换进行了试验与机理探索。本文通过扫描电子显微镜(SEM)、光学接触角测试仪(CA)、X-射线衍射(XRD)、傅立叶红外光谱仪(FTIR)、能谱(EDS)、电化学工作站(CHI)等测试手段,对样品表面的形貌、润湿性、成分、耐腐蚀性等性能进行测试与分析。分析了形态、结构、材料的影响机制,揭示了润湿性、耐腐蚀性、稳定性等功能机理。运用激光加工结合化学刻蚀的方法制备了仿生超疏水表面。首先采用激光毛化处理机在AZ91D镁合金表面加工出微米级的凹坑,随后经过AgNO3水溶液的化学刻蚀,可以看到明显的纳米级网格状结构,最后在DTS溶液中浸泡修饰,制备出的疏水表面与水接触角达到138.4±2°。通过电化学工作站进行腐蚀性能测试,结果表明制备的AZ91D疏水镁合金表面相比纯AZ91D镁合金表面耐腐蚀性得到明显改善。运用电化学沉积的方法制备仿生超疏水表面。通过对试样的化学镀预处理以及电化学沉积,在电沉积电流密度为15mA/cm2,时间为3min,电解液浓度为1.0mol/L下制备出具有超疏水性的AZ91D镁合金表面。表面接触角可达到160.8±1°,滚动角仅为1.8±1°,表面具有明显的菜花状微纳米分级结构。通过电化学工作站的腐蚀性测试,结果表明仿生超疏水AZ91D的耐腐蚀性明显提高。又进一步考察了超疏水试样的稳定性,结果表明该试样在pH为2-12范围内具有长期润湿接触角稳定性。运用阳极氧化法制备了温度调控润湿性的仿生表面。首先采用阳极氧化在AZ31镁合金表面进行氧化处理,随后在硬脂酸溶液中进行浸泡修饰,制备出的超疏水性表面静态接触角达到163.8±1.5°。超疏水性试样在热处理温度低于200℃的范围内,都具有疏水性。当热处理温度达到300℃后,表面从超疏水状态变为超亲水状态,当超亲水后的试样经过再次硬脂酸修饰后,表面润湿性从超亲水状态又转变为了超疏水状态,实现了温度控制润湿性的可逆转换。通过电化学分析,超疏水试样的耐腐蚀性得了明显改善。
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