6061铝合金表面微纳结构的仿生构建及性能研究

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铝合金材料具有密度小、可焊接、易成型加工及机械强度较高等一系列优点,广泛应用于航空航天、机械制造、生物工程、现代医学、军事、能源环境以及日常生活等领域。近年来,仿生功能材料的发展为改善金属表面性能提供了一个新的途径。本文选取6061铝合金作为研究对象,结合现有仿生模型,采用电化学技术进行了仿生结构的构建,研究了凸包状非光滑表面的降摩减阻性能,在此基础上研究了铝合金表面疏水结构的润湿性能,得出以下结论:(1)采用阳极氧化-电沉积的试验方法,对6061铝合金进行阳极氧化,在氧化膜上进行Ni-P镀层的电化学沉积,构造了凸包状的非光滑表面。对基体前处理方式、氧化铝纳米管孔径、电沉积电流密度、电镀液温度、电沉积时间等影响镀层表面形貌的试验参数进行了调控。结果表明:前处理方式对表面形貌有决定性影响,经二次浸锌处理后所得镀层呈光滑表面,而阳极氧化处理后所得镀层呈凸包状的非光滑表面,阳极氧化铝纳米管孔径和电沉积电流密度是主要影响因素,而电镀液温度和电沉积时间是次要影响因素。(2)综合运用显微硬度计、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、摩擦测试仪和电化学工作站等多种测试仪器,测试了镀层的表面形貌、组织结构和表面性能。结果表明:镀层表面呈现出均匀分布的半球形凸包状形貌,镀层的显微硬度为612HV,相对于铝合金基体提升了6倍以上,相对于普通的光滑表面,凸包状非光滑表面的平均摩擦系数降低40%以上,磨损体积降低了大约52%,相比于二次浸锌电沉积的镀层,阳极氧化电沉积形成了氧化膜-镀层双重防护,腐蚀速率降低了76%,阳极氧化膜的多孔结构对表面镀层起到了“钉扎”作用,凸包状非光滑表面的镀层结合力明显优于二次浸锌电沉积的光滑表面镀层。(3)采用阳极氧化在铝合金表面形成多孔结构的纳米管,在氧化膜上进行电化学沉积Ni层,构建疏水性表面,对其表面润湿性和耐腐蚀性能进行了测试。结果表明:镍在氧化铝表面呈花瓣状斑点分布的纳米结构,表面的接触角最大可达148°,相对于自然生成的氧化膜表面,疏水性提高23%,腐蚀速率降低了2倍以上。在凸包状非光滑表面上短时间沉积Ni层以构建微纳结构,结果表明:镍在非光滑表面上呈纳米针状分布,经低能物质修饰后达到了超疏水效果,表面接触角大于150°,滚动角测试小于10°,具有超疏水结构的表面与无纳米结构的凸包非光滑表面相比腐蚀速率下降了68%。
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