铜基仿生超疏水表面的制备方法及润湿性能研究

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1、分类号：TB381单位代码：10183研究生学号：2015434025密级：公开吉林大学硕士学位论文(专业学位)铜基仿生超疏水表面的制备方法及润湿性能研究PreparationMethodsandWettingPropertiesofBiomimeticSuperhydrophobicCopperSurfaces作者姓名：刘绍成类别：工程硕士领域(方向)：材料工程指导教师：江忠浩教授张义和高级工程师培养单位：材料科学与工程学院2018年5月铜基仿生超疏水表面的制备方法及润湿性能研究PreparationMetho

2、dsandWettingPropertiesofBiomimeticSuperhydrophobicCopperSurfaces作者姓名：刘绍成领域(方向)：材料工程指导教师：江忠浩教授张义和高级工程师类别：工程硕士答辩日期：2018年05月31日摘要铜基仿生超疏水表面的制备方法及润湿性能研究在自然界中许多动植物都表现出超疏水性，最常见的就是“出淤泥而不染”的荷叶、将露水凝结成珠的稻叶、雨打不湿的蝴蝶翅膀等等，科研工作者通过仿生技术，将这种特殊的表面润湿现象应用到诸如自清洁、油水分离、防霜冻和耐腐蚀等方面。本文通

3、过模仿稻叶和荷叶的微观结构来制备超疏水表面，所选材料为金属铜，铜具有良好的导电导热性、耐腐蚀等优良性能，在半导体、建筑等工业生产中普遍应用，具有广阔的发展和应用前景，所以，研究它具有现实意义和应用价值。目前制备超疏水表面的方法众多，比如电化学沉积法、模板法、溶胶凝胶法等，在众多方法中，基本都是先在材料表面构造一定的粗糙度，然后用低表面能的物质进行修饰，尤其是在金属材料表面构造超疏水表面，因其具有较高的表面能，更需要借助外来修饰剂进行表面处理，所以很少有人能直接在金属表面构建超疏水表面，而本文所采取的方法就可以不加

4、修饰剂直接制备铜基超疏水表面，因此更具有理论研究价值。本文通过划刻法与电刷镀相结合、激光加工法两种方法在金属铜表面成功制备出超疏水表面，通过扫描电子显微镜进行微观形貌观察，通过X射线衍射仪和X射线光电子能谱仪进行结构和成分检测，通过光学接触角测量仪进行接触角测试。研究了超疏水表面的静态和动态润湿行为、激光加工参数和热处理时间等对润湿性能的影响、超疏水表面的实际应用性能分析等。主要工作内容和结论如下：1)通过机械划刻和电刷镀相结合制备出了具有方向性的类稻叶结构的超疏水表面，接触角高达157.3°，在平行沟槽方向上和

5、垂直沟槽方向上，无论静态接触角还是动态接触角都存在各向异性。在电刷镀处理之后，将样品Ⅰ和Ⅱ进行120min、180℃低温退火处理，样品Ⅲ和Ⅳ在干燥皿里室温静置4个月，经测试，样品都具有超疏水性能，得出：低温热处理可以有效缩短制备超疏水样品的时间。2)为了更进一步的提高制样速率及成品率，在前期构造表面粗糙结构环节中以激光标刻取代机械划刻，经表面分析得出我们所制备的样品具有类荷叶的三级分级结构，经检测接触角高达158.1°，滚动角低至5.6°，具有典型的自清洁效果。另外，通过横向水滴平移法还检测了各样品的接触角滞后情

6、况，得出随着标刻步长的增大I接触角滞后越大。3)本文还探索了直接通过激光加工来制备超疏水样品的方法，并探索了激光加工参数对表面形貌的影响，加工参数和热处理时间对超疏水性能的影响。经扫描图像分析得出加工参数可控制样品表面的图案和沟槽深度，经接触角测量得出最佳标刻步长为50μm，最佳标刻速率为100mm/s，130℃时最佳热处理时间为4小时。4)最后研究了超疏水表面的应用性能，分析了超疏水表面的自清洁现象和机理，测试了室温冰雪融化性能、低温滴水抗结冰性能和耐腐蚀性能，经检测分析，本实验制备的样品具有优良的自清洁、抗结

7、冰和耐腐蚀等应用性能。关键词：超疏水，电刷镀，激光加工，机械划刻，铜基体IIAbstractPreparationMethodsandWettingPropertiesofBiomimeticSuperhydrophobicCopperSurfacesInnature,manyanimalsandplantsexhibitsuperhydrophobicity,themostcommonofwhicharelotusleavesthatare“comeoutofthedirtymudunsoiled”,ricel

8、eavesthatcondensedewintobeads,andbutterflywingsthatdonotwet,andsoon.Researchersapplythisspecialwettingpropertytoaspectssuchasself-cleaning,oil-waterseparation,frostprotection,andcorrosion