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铝基超疏水表面的制备及性能研究

作　者: 张红霞
导　师: 冯利邦
学　校: 兰州交通大学
专　业: 材料学
关键词: 铝基体 溶胶-凝胶法 超疏水表面 耐腐蚀 表面微结构
分类号: TG178
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


铝是自然界中分布最广泛的金属元素，其有比强度高、比重小等优点，使得铝及铝合金在各个领域都有广泛的应用。铝虽然在空气中有很好的耐蚀性，但是铝的化学活泼性使得它在湿度较大的环境下或海水中的耐蚀性不是很好，这限制了铝及铝合金在工业上的应用。而超疏水的表面具有自清洁、抑制表面腐蚀等特性，因此在铝及铝合金表面制备超疏水涂层具有深远的意义。本研究通过在铝基表面构造微纳米阶层结构，再用硬脂酸修饰后得到了超疏水表面，并对超疏水表面的耐蚀性进行了测试分析。本文主要工作的内容和结果如下：首先，用溶胶-凝胶法制备得到了氧化铝粉末以及氧化铝溶胶，用浸渍提拉法在玻璃片基底上涂覆一层氧化铝溶胶，通过热处理后得到氧化铝凝胶薄膜，再进行沸水粗糙处理以及聚乙烯亚胺和硬脂酸的表面修饰，得到了超疏水的氧化铝薄膜。通过接触角测量、扫描电镜和红外分析等对氧化铝薄膜的润湿性能、表面微观结构和键结构进行了研究，得到氧化铝薄膜的接触角为154.2°，其表面具有花瓣状的阶层结构和疏水的长碳链分子层组成，这使得氧化铝表面具有超疏水性。将超疏水薄膜在空气中室温放置一年后，其表面仍然具有超疏水特性，另外，用不同酸碱性的水进行接触角测量，水的pH值在1-11范围内时，该超疏水薄膜的接触角均在146°以上，这表明该薄膜的疏水特性比较稳定，有一定的耐蚀性。其次，用沸水粗糙处理法在金属铝及铝合金表面构造微纳米粗糙结构，然后用聚乙烯亚胺和硬脂酸对其表面进行修饰，得到了超疏水纯铝和铝合金表面的接触角分别为155.6°和153.4°。通过扫描电镜得出超疏水铝及铝合金表面具有很好的微纳米双重粗糙结构。用极化曲线测试超疏水铝合金表面的耐蚀性能，得到接触角越大，耐蚀性能越好，且超疏水铝合金在3.5%NaCl溶液中腐蚀电位比未经任何处理的铝合金升高0.21V，电流密度下降3.67×10-5A·cm-2，很好的抑制了铝合金的腐蚀。最后，同样用沸水粗糙处理法在金属铝及铝合金表面构造微纳米粗糙结构，然后用硬脂酸直接对其进行修饰，制备得到的超疏水铝合金和纯铝表面的接触角分别为154.1°和152.3°。通过扫描电子显微镜分析得出超疏水铝及铝合金表面具有很好的微纳米双重粗糙结构。用极化曲线测试超疏水铝合金表面的耐蚀性能，得到接触角越大，耐蚀性能越好，且超疏水铝合金在3.5%NaCl溶液中腐蚀电位比亲水表面的铝合金升高0.43V，电流密度下降一个数量级，提高了其耐蚀性。这些结果表明沸水粗糙化处理后，不吸附聚乙烯亚胺，直接用硬脂酸修饰后的铝及铝合金表面同样能达到超疏水，其耐蚀性也相应地得到了提高。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-22
  1.1 铝及铝合金  11-13
    1.1.1 概述  11
    1.1.2 铝的性能特点及其应用  11-12
    1.1.3 铝及铝合金的腐蚀类型  12
    1.1.4 铝及铝合金在各种介质中的耐蚀性  12-13
    1.1.5 铝及铝合金的防腐现状  13
  1.2 超疏水表面  13-16
    1.2.1 接触角的定义  14-15
    1.2.2 Wenzel 模型  15
    1.2.3 Cassie 模型  15-16
    1.2.4 Cassie 和 Wenzel 模型间的转化  16
  1.3 金属超疏水表面的制备技术  16-19
    1.3.1 模板法  17
    1.3.2 分子自组装法  17-18
    1.3.3 化学刻蚀法  18
    1.3.4 电化学沉积法  18
    1.3.5 复合法  18-19
    1.3.6 阳极氧化法  19
    1.3.7 一步浸泡法  19
  1.4 金属超疏水表面制备技术中存在的问题  19-20
  1.5 金属超疏水表面的应用前景  20
  1.6 本课题的选题目的和研究内容  20-22
2 溶胶-凝胶法制备超疏水氧化铝薄膜  22-39
  2.1 引言  22
  2.2 实验部分  22-27
    2.2.1 实验试剂和材料  22
    2.2.2 实验仪器  22-23
    2.2.3 实验方法  23-25
    2.2.4 测试及表征方法  25-27
  2.3 结果与讨论  27-38
    2.3.1 接触角分析  27-28
    2.3.2 化学结构分析  28-29
    2.3.3 物相分析  29-30
    2.3.4 试样的热性能表征  30-32
    2.3.5 形貌分析  32
    2.3.6 氧化铝超疏水表面的性能分析  32-34
    2.3.7 氧化铝表面的粘附性  34-35
    2.3.8 氧化铝超疏水表面的形成机制  35-38
  2.4 本章小结  38-39
3 吸附 PEI 法超疏水铝基表面的制备及耐蚀性能研究  39-55
  3.1 引言  39
  3.2 实验部分  39-42
    3.2.1 基体材料  39-40
    3.2.2 实验试剂和实验仪器  40
    3.2.3 超疏水表面的制备  40-42
    3.2.4 试样表征方法  42
  3.3 结果与讨论  42-54
    3.3.1 制备条件对铝基表面疏水性能的影响  42-48
    3.3.2 超疏水表面的物相分析  48-50
    3.3.3 超疏水铝及铝合金表面的形貌表征  50-51
    3.3.4 超疏水铝合金表面的 X 射线光电子能谱分析  51-52
    3.3.5 超疏水铝及铝合金的耐蚀性能  52-54
  3.4 本章小结  54-55
4 硬脂酸一步法制备铝基超疏水表面及耐蚀性能研究  55-72
  4.1 引言  55
  4.2 实验部分  55-58
    4.2.1 基体材料  55
    4.2.2 实验试剂和实验仪器  55-56
    4.2.3 铝及铝合金超疏水表面的制备  56-57
    4.2.4 实验的表征方法  57-58
  4.3 结果与讨论  58-71
    4.3.1 制备条件对铝基表面疏水性能的影响  58-63
    4.3.2 超疏水铝基表面的物相分析  63-65
    4.3.3 超疏水铝及铝合金表面的形貌表征  65-67
    4.3.4 超疏水铝合金表面的 X 射线光电子能谱分析  67-68
    4.3.5 超疏水铝合金表面的润湿机理  68-69
    4.3.6 超疏水铝合金的耐蚀性能  69-71
  4.4 本章小结  71-72
5 结论与创新  72-74
  5.1 结论  72
  5.2 创新  72-74
致谢  74-75
参考文献  75-79
攻读学位期间的研究成果  79

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属腐蚀与保护、金属表面处理 > 各种金属及合金的腐蚀、防腐与表面处理
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