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非晶合金可控表面微结构的超疏水性研究

作　者: 夏婷
导　师: 柳林
学　校: 华中科技大学
专　业: 材料学
关键词: 非晶合金超疏水性粗糙度热压成形稳定性
分类号: TG139.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

源于荷叶表面自清洁效应的超疏水性已成为材料、仿生等领域的研究热点之一，而决定材料表面超疏水性的两个最关键的因素分别为表面能和表面微结构。目前，针对超疏水性的研究多集中在高分子材料、碳纳米管等有机材料。然而，这些材料较差的机械性能和耐久性使其无法实际应用。传统金属材料由于具有晶粒尺寸效应而难以制造出微、纳结构。相比之下，非晶合金不仅具有原子尺度均匀性，且在过冷液相区具有超塑性，可实现微纳结构的精密复制。此外，非晶合金具有优异的力学性能和耐腐蚀性能。因此，在超疏水性方面具有潜在的应用前景。本论文首先采用感应熔炼/铜模喷铸和电弧熔炼/铜模吸铸技术分别制备出了Pd₄₀Cu₃₀Ni₁₀P₂₀及Zr₃₅Ti₃₀Be_26.75Cu_8.25合金；采用X射线衍射仪（XRD）、差示扫描量热仪（DSC）分别对所制备的合金微结构和热学参数进行表征；采用接触角仪对两种合金体系本征接触角进行测量，并采用Owens-Wendt理论计算出这两种合金体系的相对表面能大小。然后，以设计好的蜂窝状微结构硅模为母模具，采用热压印成形方法在Pd基非晶合金表面热压印成形出蜂窝状微结构。采用扫描电子显微镜（SEM）、激光共聚焦扫描显微镜对表面形貌、成形高度进行表征；并采用接触角仪对其表面接触角进行了测量。结构表明：在没有任何低表面能物质修饰的前提下，Pd基非晶合金表面蜂窝状微结构的最大接触角能达153.8°，表现出超疏水性，并且有较好的稳定性。对此现象，本文通过引入由表面微结构变化引起的表面能梯度分布的物理量，对Cassie-Baxter理论进行修正，合理解释了Pd基非晶合金蜂窝状微结构表面具有超疏水性的微观机制。考虑到表面能对非晶合金表面疏水性的影响，本研究同时对具有相对表面能较高的Zr基非晶合金表面进行热压印成形。结果发现Zr基非晶合金蜂窝状微结构表面最大接触角仅133.8°左右，不具备超疏水性。对此，本文采用HF酸溶液对成形后的Zr基非晶合金表面进行腐蚀，形成微纳复合结构，并对其疏水性进行表征。结果表明，在不经任何化学物质修饰条件下，Zr基非晶合金表面微纳复合结构的最大接触角达152.7°，表现出超疏水性。并从整体能量的角度出发，对粗糙的Zr基非晶合金表面水滴进行受力分析，建立微纳复合结构模型，对其表面超疏水的机理进行系统讨论。此外，研究发现水滴在样品翻转180°后，依然没有脱离样品表面，表现出高的粘附力，从而有望作为“机械手”应用于无损失液体传输领域。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-25
  1.1 固体表面超疏水性的意义  10-11
  1.2 固体表面超疏水性的基础理论  11-15
  1.3 固体表面超疏水性研究现状  15-24
  1.4 本工作研究的主要内容  24-25
2 超疏水表面微结构设计、体系选择及样品制备  25-34
  2.1 超疏水性表面微结构设计  25-28
  2.2 非晶合金体系选择与样品制备  28-34
3 钯基非晶合金表面可控微结构的超疏水性研究  34-44
  3.1 引言  34
  3.2 钯基非晶合金表面微结构热压成形  34-37
  3.3 钯基非晶合金表面微结构的疏水性研究  37-43
  3.4 本章小结  43-44
4 锆基非晶合金表面微纳复合结构超疏水性研究  44-55
  4.1 引言  44
  4.2 锆基非晶合金表面微结构疏水性研究  44-48
  4.3 锆基非晶合金表面微纳复合结构超疏水性研究  48-53
  4.4 本章小结  53-55
5 全文总结  55-58
  5.1 获得的主要结果  55-56
  5.2 本论文的创新之处  56
  5.3 展望  56-58
致谢  58-59
参考文献  59-66
附录 1 攻读硕士学位期间发表的论文  66-67
附录 2 攻读硕士学位期间所申请的专利  67

非晶合金可控表面微结构的超疏水性研究

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