不锈钢超疏水/超滑表面的构建及性能研究

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超疏水/超滑表面因其特殊的润湿性在很多方面都有着广阔的应用前景,如自清洁、减阻、抗腐蚀、防水防污、防冰等,但当前研究所获得的超疏水/超滑表面的微纳结构相对较为脆弱,其他性能(耐磨、耐高温、耐冲击)远未达到工业化应用的要求。奥氏体不锈钢作为一种耐蚀性和成型性能优异的工程材料,在工农业领域以及日常生活中应用广泛,在不锈钢表面构建超疏水/超滑表面,可以赋予其更独特的性能,拓宽不锈钢的应用范围。基于以上背景,本课题的研究目标是在不锈钢表面探索较为经济实用的超疏水/超滑表面制备工艺,所获表面可以满足环境对表面性能(耐腐蚀、耐磨、超疏水/超滑等)的综合要求。研究结果可以为不锈钢表面耐久性微纳米结构的构建以及低表面能改性剂的选择提供策略,为实现不锈钢超疏水/超滑表面的工业化应用提供技术支撑。本课题采用简单易行的化学刻蚀法,在奥氏体不锈钢表面制备纵深较深的微米结构,再复合不同工艺制备的不同形貌的纳米结构,并以无氟的肉豆蔻酸(十四烷酸)进行修饰,获得了具有超疏水特性的表面;之后注入硅油润滑液,构建出超滑表面。对所构建的超疏水和超滑表面的结构和性能(超疏水性,超滑性,耐腐蚀性、耐磨损性能、耐不同液体和耐高温性能等)进行了全面分析和评估。首先通过氢氟酸刻蚀,在不锈钢表面制备纵深较深的微米结构,研究了刻蚀温度和时间对表面形貌的影响。结果表明,使用40 wt.%HF酸在70°C下对不锈钢表面刻蚀60min后获得了纵深达45μm的均匀微米结构,可以在磨损过程中对纳米结构起到支撑和保护作用。同时对四种纳米结构的制备工艺(盐酸化学刻蚀,过硫酸铵化学刻蚀,水热处理,高温氧化)进行优化,获得了形貌均匀、尺寸适中的四种不同形貌(凹坑状、片状、层状、粒状)的纳米结构。然后将优化微米结构与四种优化纳米结构制备工艺结合,成功构建出四种不同形貌的微纳复合结构(微米+凹坑状、片状、层状、粒状纳米结构)。经肉豆蔻酸修饰后,四种表面均达到超疏水状态,接触角分别为166°、164°、165°、159°,滚动角分别为5°、2°、2°、2°,具备优异的超疏水性能以及自清洁性能。四种微纳复合结构在3.2 k Pa压强下砂纸磨损100 cm后仍能保持超疏水性能;微米+片状/层状/粒状纳米结构三种超疏水样品均能耐13.24 m/s高速水流冲击10 min以上;各超疏水样品(SHS)的自腐蚀电位相比原始样品均有不同程度的提高,维钝电流则下降显著。这些结果表明本文所制备的四种超疏水表面具有较好的耐磨性能、良好的耐冲击性能和优异的耐蚀性能。为进一步提升超疏水表面的稳定性和疏液性,本研究选择了微米+层状纳米复合结构(孔隙更多、片层结构且纳米结构层较厚,有利于润滑液的储存)为基底材料,进行超滑表面(SLIPS)的制备。研究了不同粘度(50~500 m Pa·s)硅油注入表面的润湿性能(接触角、滚动角)、滑动速度、稳定性(水流稳定性、热稳定性)的差异以及最佳粘度硅油注入SLIPS的自愈性能、耐蚀性能和疏液性能。结果表明,不同粘度硅油注入表面的润湿性、滑动速度无显著差异,而500 m Pa·s粘度硅油注入表面的水流稳定性最佳,因此粘度500 m Pa·s的硅油为制备SLIPS推荐的硅油粘度。500 m Pa·s粘度硅油注入后的SLIPS样品在100°C高温下存放7天与受刀片划伤后仍然保持超滑性能,表现出优异的高温稳定性和自愈性能;其自腐蚀电位相比原始样品有明显提高,维钝电流下降则更加显著,有5个数量级,说明SLIPS的耐蚀性能提高显著。在超疏水样品与超滑样品对常用油性和液体的疏液性能评价上,肉豆蔻酸及无氟硅烷修饰的超疏水样品的疏液范围较小,含氟硅烷修饰的效果略好;而二甲基硅油注入的超滑表面的疏液范围最广,热稳定性高,即超滑表面在与各种常用油性或液体接触时,表现出比超疏水表面更加优秀的拒液性能。
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