钛合金表面疏水的等离子体改性及其机理研究

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1、博士学位论文StudyontheHydrophobicPlasmaModificationoftheTiAlloySurfaceandRelatedMechanism学号：!Q鱼Q星QQ墨完成日期：呈Q!墨：ZDalianUniversityofTechnology大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途

2、使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目：丛佥金塞亘琉盔鲍笠直王签邀性及甚扭堡珏究作者签名：互!丑]盘：日期：丝12年—幸月2巫日大连理工大学博士学位论文摘要钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域，但由于具有较高的表面自由能，显示为亲水性，不具备自清洁性能，长期在潮湿空气中会发生腐蚀现象，并且一些装备中的钛合金部件容易产生结冰等现象，这在一定程度上限制了钛合金的进一步应

3、用。自然界中以荷叶为代表的生物表皮超疏水和白清洁现象给了我们重要启示，研究发现荷叶自清洁功能是由表面疏水的蜡状低表面能材料和微纳复合结构的乳突共同引起的，如果能够按照这种疏水原理研发出超疏水表面技术，并将其应用于钛合金等金属材料上，则可以起到自清洁、抑制表面腐蚀和氧化，增强防潮和防冰功能。目前除日常用品外，一些行业也急需长寿命超疏水表面技术，如航空领域，发动机进气道口处的防冰，用以防止发动机性能损失及可能引发的故障，另外还可用于大气数据传感器及机翼前缘等处的防冰，用以解决阻力增加等问题，而在电子

4、元器件及医疗器械领域这种需要也很明显。目前，超疏水涂层多采用化学法制备，虽然工艺简单、易操作，但是制备的涂层结合力差、不耐冲击、环境适应性差，常面临涂层粉化、起泡、开裂以及疏水功能下降等失效行为。类金刚石膜(DiamondLike．carbon，DLC)具有优异力学性能，但是由于其表面能较高，因此疏水性能较差，如果通过元素对DLC薄膜的掺杂，将其表面能降低，在提高其疏水性能的同时，保障其具有良好的环境适应能力和使用寿命，将大大提高其可应用性，本文中将主要进行金属Ti和非金属F元素掺杂DLC薄膜研

5、究，以揭示元素掺杂对薄膜疏水性能和力学性能的影响，同时注意到超疏水和良好综合性能表面的获得，通常是低表面能材料和粗糙表面形貌协同的结果，因此本文还研究了以超音速火焰喷涂(SupersonicFlameSpraying，HVOF)WC和纳秒激光制造的微盲孔为底层微结构，然后用低表面能掺杂DLC进行修饰的仿生疏水表面，具体研究内容及结果如下：(1)采用微波电子回旋共振(MicrowaveElectronCyclotronResonance，MW．ECR)等离子体反应磁控溅射技术制备Ti．DLC薄膜，

6、研究了薄膜的化学结构及成分变化，重点考察了不同制备条件对薄膜力学性能和疏水性能的影响规律。制备的薄膜被证明是一种TiC纳米晶镶嵌的纳米复合结构薄膜，其纳米硬度最高达到33GPa，磨损量最小达到121am3，临界载荷最大达50N，水接触角达到最大值106．50，分析结果显示Ti．DLC膜的表面能随着Ti元素百分比含量的增加先减小后增加。分析表明薄膜疏水性能的改善，主要是由于化学键结构和成分发生了变化。(2)采用微波ECR等离子体化学气相沉积技术制备了F．DLC薄膜，主要研究不同能量、不同百分比的F

7、元素掺杂对薄膜表面形貌和组织结构的影响，重点调查在此种大连理工大学博士学位论文变化下薄膜的疏水性能和力学性能变化规律。通过分析表明薄膜主要包含C．F。(x=1，2，3)和C=C(F，H)交联结构，这种化学键结构导致其力学性能变差，如：纳米硬度一般在2-3GPa之间，临界载荷最高可达31N，而疏水性能大为提高，在优化工艺参数下，F．DLC薄膜最高水接触角可达159．20。F元素原子百分比含量对薄膜表面能有重要影响，含量的增加将使其逐渐降低，当含量为32．6％时，表面能降到最低(14．74mJ／m2

8、)。(3)采用离子轰击、超音速火焰喷涂及纳秒激光加工三种手段对样品进行了表面微纳结构的制造，研究了不同形貌对样品疏水性能的影响，同时将微纳米结构制造与低表面能薄膜沉积工艺复合，制备了具有微纳二级结构的超疏水表面。测试结果表明：离子束轰击作用下，钛合金基体的接触角随轰击能量的增加，总体呈现逐渐升高趋势；超音速喷涂WC涂层为底层的系列样品接触角，随样品表面形貌复杂化的提高而不断升高，对WC涂层样品进行F．DLC修饰后，水接触角达到最高1660；周期性微盲孔为底层微结构的系列样品接触角变化趋势与WC涂