钛合金表面基于激光点阵的微纳结构构建及其润湿性与耐久性能研究

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:woshishaoqiaolin
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
仿生学的蓬勃兴起带动了材料表面功能化的迅猛发展,其中,受荷叶和猪笼草表面特殊润湿性启发而创造出的超疏水/超滑表面,在防污、抗腐蚀、微滴操控、抗结冰、减阻以及细胞工程等领域都展现出了广阔的应用前景,引起了研究学者的广泛关注。目前,各类人造仿生超疏水/超滑表面均展现出了优异的润湿特性,但普遍存在制备过程复杂、工艺条件严苛,难以实现大规模生产的问题;且所制备的功能膜层都过于脆弱,耐久性差,极大限制了其实际应用。针对上述问题,本文以广泛应用于航天航空、海洋工程、生物医用领域的TC4(Ti6Al4V)钛合金为研究对象,采用高效的激光直写技术进行微米级结构设计,在钛合金表面构造出点阵列图案的氧化物层,以增强膜层的机械稳定性;同时,结合简单的化学法,利用钛合金基体的本征属性原位构造纳米结构,制备出微纳复合结构膜层。之后通过低表面能修饰及黏度合适的润滑剂注入,最终获得兼具优异润湿性及长久耐受性的超疏水/超滑表面,促进特殊润湿性表面从实验研究阶段迈向工业化。首先采用纳秒激光设备在TC4钛合金表面构造出点阵列的微米级孔结构,在系统分析了点阵排列方式、孔间距及孔深度对表面润湿性能(疏水角、滚动角)的影响基础上,通过激光工艺调整和优化,获得了疏水角为160.6°,滚动角为1.2°的超疏水表面(经十四烷酸修饰)。同时,通过构建热力学分析模型,从理论上分析了本征接触角(θY)、孔隙间距(b)及孔深度(H)对润湿状态及润湿性能的影响,实现了点阵列激光加工表面不同润湿状态(Cassie/Wenzel)间相互转变的临界条件计算及润湿性能预测。模型验证结果显示,本模型的预测结果与实验结果非常接近,表明本文的模型具有很高的可信度,可用于指导点阵列激光加工超疏水表面的设计及工艺优化。基于点阵列激光加工的微米结构表面,采用“水热-酸化-煅烧”工艺在微米级孔结构表层原位生长了锐钛矿型Ti O2纳米线结构,通过正交试验法,确定了最佳的水热反应温度(250℃)、反应时间(15 h)及碱液浓度(1 M),获得了纳米结构均匀覆盖微米孔的微纳复合结构表面。经有机硅烷修饰后,其疏水角高达165.2°,滚动角<1°。对比单一微米结构的激光加工表面,该微纳复合结构表面的超疏水性表现出了更优异的耐久性,在经受13.24 m/s高速水流冲击5 min,3.5 wt.%Na Cl溶液浸泡146 h或5次循环摩擦后,该微纳复合结构表面仍然维持其超疏水性。其次,对比了表面不同有机修饰层的稳定性,结果表明聚二甲基硅氧烷(PDMS)比十六烷基三甲氧基硅氧烷(HDTMS)具有更优异的热稳定性及耐光催化降解性;能承受450℃下30 min的高温而不分解,8 h紫外光照(250 W,365 nm)而不降解。基于上述微纳复合结构表面,本文以二甲基硅油为填充润滑剂,通过注入方式构造了超滑表面(SLIPS)。分析了不同黏度(20、50、100、350、500 m Pa·s)润滑剂的注入量与填充后的表面形貌,结果表明低黏度润滑剂更易在表面倾斜时发生流失,表面微结构未能被完全覆盖,粗糙度较高;而高黏度润滑剂注入的表面较为平整,粗糙度较低。水流搅拌冲刷测试结果表明:低黏度润滑剂(20 m Pa·s)注入的超滑表面(20-SLIPS)具有较快的水滴滚动速度,但随着冲刷时间延长,滚动速度下降幅度最大;而高黏度润滑剂(350、500 m Pa·s)注入的超滑表面(350-SLIPS、500-SLIPS)虽然水滴滚动速度较慢,但能承受长时间(4 days)的水流搅拌冲刷而基本保持性能不变。自愈性测试中,350-SLIPS与500-SLIPS试样均表现出了对刀片划痕的自修复性,而其它试样则出现了“反自愈”现象,本文认为这种反常现象与纳米结构的毛细作用和表面润滑剂填充量有关,并对其进行了深入的机理分析。在疏液性能上,超滑表面比超疏水表面表现出更广泛的疏液性,尤其是对有机溶剂,具有广阔的应用前景。
其他文献
海上风电是促进世界各国能源结构调整的重要发展方向,中国南海是我国目前海上风电能源开发的重要海域。鉴于南海的面积广阔,不同海区的海洋水文和地形地质等环境条件复杂多变,必须选择与场址环境条件相适应的基础形式才能保证风电场充分发挥社会和经济效益。而斜桩承台式风电基础具有很好的地基条件适应能力、较好的结构稳定性能和成熟的施工技术等系列优点,目前已在我国海上风电场建设中得到广泛应用,但海底局部冲刷问题常常导
N~6-甲基腺嘌呤(m~6A)是真核生物中最常见的RNA修饰之一,在基因的表达调控中起着重要的作用,是一种重要的表观遗传修饰。本文利用RNA具有带负电荷的磷酸盐骨架对Bi2S3/g-C3N4异质结光电信号的猝灭来构建光电化学生物传感器。以m~6A和Au NPs结合得到m~6A金标抗体,采用Bi2S3/g-C3N4异质结作为光电活性材料,利用氨基与羧基的共价结合,硼酸基团与抗体之间的特异性识别以及抗
口罩是应用最为广泛的人体呼吸防护用品,可显著减少细颗粒污染及通过气溶胶、飞沫引起的细菌病毒传播对人体和公共卫生造成的危害。但目前佩戴商用高效防护口罩普遍存在很强的面部闷热感,特别是在高湿环境下长期佩戴,这极大的限制了个人呼吸防护装置的推广使用,也不利于提高公共卫生防控能力。为此,本文将辐射冷却这种零能耗表面冷却技术用于口罩滤料热管理,通过静电纺工艺制备兼具热舒适性和高效PM2.5防护功能的PA6-
电网作为现代社会的关键基础设施和能源互联网的枢纽,其发展一直得到极大关注。对电力网络的发展路径开展定量评估是现阶段相关部门进行电网规划与建设管理过程中需要考虑的关键问题。一种从全局的角度评判电网规模发展本质的机理有助于更科学准确地设定电力系统的发展路径。本文提出一种基于复杂网络理论的异速生长规律研究电网规模发展变化规律的方法,在相关领域进行了探索性的研究。本文为电力系统的规划和建设提出了一种系统性
移动群智感知是目前最具有影响力的新兴技术之一,它利用现有的通信基础设施(Wi Fi、4G/5G)和智能设备用户的移动性,从分散在监测区域的智能设备中收集个人和周围环境、位置、交通状况、噪音水平等数据,并在云服务器中聚集融合,实现有价值信息的提取和交付。移动群智感知在诸如环境监测、智能交通、医疗保健、室内定位等智慧城市的各方面都具有广阔的应用前景。然而,移动群智感知应用的大范围推广仍面临许多的挑战。
因钠资源丰富、环境友好,尤其是钠与锂之间的电化学相似性,钠离子电池被认为是替代锂离子电池最有前景的储能器件之一。锂离子电池中传统的负极材料石墨并不适配于钠离子电池,因此亟需开发高性能负极材料来适应钠离子电池商业化的发展。钼基负极材料价态丰富并拥有独特的物理化学性质,已经得到了广泛的研究。本文致力于发挥不同钼基材料的优势并改性其不足,通过材料纳米化、复合碳基材料、设计异质结构以及分层结构等方式来构建
背景:急性髓系白血病(acute myeloid leukemia,AML)的各类治疗方法并不十分理想。嵌合抗原受体(chimeric antigen receptor,CAR)T细胞疗法在B系淋巴细胞白血病中成效卓越,但在AML中疗效不佳。在前临床实验中效果优异的如CD123 CAR T细胞疗法及CD33 CAR T细胞疗法在一期临床试验中几近无效,开发适合AML的新靶点迫在眉睫。CD56在AM
随着传统化石燃料的能源危机和碳排放导致的全球气候变化问题日益加剧,发展环境友好且可持续的清洁能源已成为人们关注的热点。氢能源具有高能量密度、储量丰富、可持续性和燃烧后零排放等优点,被认为是未来最有前途的化石燃料替代能源。近年来,电解水制氢因其产氢量大、纯度高、无碳排放、可持续性强、水资源丰富等优点越来越受到学术界和工业领域的关注。电解水析氢过程需要高效的电催化产氢(HER)催化剂来加速反应动力学,
基于过硫酸盐(PS)的高级氧化技术(AOP)氧化性强,对水中难生化降解有机污染物去除具有优势。锰氧化物在地壳中含量丰富并且对环境友好,用其活化过硫酸盐备受关注。锰氧化物的价态和存在状态较多,其活化过硫酸盐的机理尚不清楚,成为其高效活化过硫酸盐去除污染物的瓶颈。本文合成了一系列锰氧化物,详细探讨了其去除机理,为高效过硫酸盐体系的获得提供理论和技术支持。获得的结论如下:(1)合成了了羟基氧化锰(MnO
随着社会的发展和工业化进程的加快,水体和土壤中重金属的污染问题日益突出。完全稳定的纳米氯磷灰石因其对水体和土壤中重金属具有很好的治理效果而受到研究者的广泛关注。针对重金属污染土壤的修复,特别是多种重金属复合污染酸性土壤的治理,通过加入传统的固定剂进行修复后,重金属的长期稳定性往往难以保证。因此,研发廉价、高效、稳定的新型氯磷灰石材料并深入开展其处理重金属污染土壤的治理效果、机理及现场试验相关研究,