超声刻蚀法构建分级结构的超疏水表面.pdf

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1、Vol_35高等学校化学学报No．92014年9月CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIES1968～1974doi：10．7503／cjcu20140205超声刻蚀法构建分级结构的超疏水表面黄建业，王峰会，侯绍行，赵翔(西北工业大学工程力学系，西安710129)摘要在湿法刻蚀和超声空化的基础上，采用超声刻蚀法制备了具有微纳米分级结构的超疏水表面．以等体积比的硝酸／乙醇(体积分数为4％)和双氧水(质量分数为30％)的混合溶液作为刻蚀剂，在室温下对60Si2Mn钢、60钢、T10钢、cIo6钢、65Mn钢和硅钢表面超声刻蚀2～10

2、min，构建出多种形貌的微纳米分级结构．上述表面经氟硅烷修饰后具有超疏水性，水的表观接触角高达157．0。，155．8。，157．4。，154．9。，157．6。和156．8。，滚动角分别为6．5。，19．2。，6．1。，7．8。，6．7。和7．2。．与常规刻蚀方法相比，超声刻蚀的化学刻蚀作用因与空化作用耦合而得到强化和改变，从而在钢表面构建出分级结构．由于材料表面微结构形貌和固／液界面接触状态不同，制得的超疏水表面表现出的润湿行为也不同．超声刻蚀法简单易行，成本低廉，适用于其它金属表面构建微纳米分级结构和超疏水表面．关键词超疏水表面；超声刻蚀；分级结构；空

3、化作用中图分类号0647文献标志码A浸润性是固体表面的重要属性之一，它由固体材料表面的化学组成和微观形貌共同决定]．自从关于荷叶超疏水现象和自清洁效应的研究报道以来，超疏水材料开始受到极大关注．由于较低的固／液界面附着力，水滴在超疏水表面上很难稳定停留，易于滚落而带走表面的污染物，因此超疏水表面具有自清洁、不黏、抗污等特性．oJ．超疏水材料在许多领域中都具有重要的应用价值l卜，从而引起了广泛的关注和研究’m’“．作为产量和消耗量最大的金属，钢铁在机械、建筑、船舶等方面有着广泛的应用，而超疏水表面能够实现金属的防腐蚀保护和水下滑移减阻J，因此在钢铁表面构建超疏

4、水表面有利于减少腐蚀损耗和节省能源，具有潜在的经济价值．目前表征超疏水性的2个主要指标是表观接触角和接触角滞后(或滚动角)，m川．大量研究表明，构建微纳米复合的二级结构有利于产生较大的接触角和较小的滚动角．通常，纳米结构在压力作用下具有优异的疏水稳定性_1，同时能够初步放大疏水作用；微米结构能够进一步减小固／液接触面积和改变三相接触线的连续性，从而与纳米结构协同作用而产生较大的接触角和较小的滚动角¨乃’．根据这一理论，在固体表面构建较均匀的微纳米二级结构，再用低表面能材料进行修饰后，即可获得性能良好的超疏水表面．最新研究表明，大部分镧系元素的氧化物是本征疏水

5、的，具有优异的抗逆性，通过电镀将其嫁接到金属表面并氧化后可实现稳定的疏水特性[1，而找到一种快速有效的方法对镀层进行微纳米结构化来实现超疏水性就显得尤为重要．超疏水材料的制备主要有气相沉积法_1]、等离子体刻蚀法_1、激光刻蚀法、阳极氧化法]、湿法刻蚀_2、水热法¨、溶胶一凝胶法[2、电化学沉积法、模板法及自组装法等．对于钢铁材料，最常用的方法是超疏水涂层¨和湿法刻蚀]．超疏水涂层由于易脱落和老化等问题而使其应用受到限制，因此往往采用简单的湿法刻蚀在钢铁表面进行粗糙化处理，再经表面改性处理后得到超疏水表面．在钢铁表面用湿法刻蚀需要高浓度的硝酸溶液L2j，具有

6、潜在的危险而且难以形成纳米结构，其它方法则耗时耗工而且对设备要求较高，因此，本文利用超声空化过程中的气蚀作用，在几种钢铁材料上通过超声刻蚀法构建出具有微纳米分级结构的超疏水表面，并就超声刻蚀机理和制得材料的超疏水性进行了分析，为金属表面微纳米结构构建和超疏水表面制备提供了一种新的方法．收稿日期：2014-03—11．基金项目：国家自然科学基金(批准号：11372251)和西北工业大学研究生创业种子基金(批准号：Z2014122)资助．联系人简介：王峰会，男，博士，教授，博士生导师，主要从事微纳米材料制备与力学测试研究．E-mail：fhwang@nwpu．e

7、du．cn高等学校化学学报超声波纵向传播形成的负压区长大，在正压区迅速闭合，从而在超声振动作用下受到压缩和拉伸．在气泡被压缩至崩溃的瞬间，会产生巨大的瞬时压力和高温，一般压力可高达几十兆帕至上百兆帕，温度高达几千摄氏度至几万摄氏度．钢铁表面在刻蚀剂中反复经受气泡溃灭时的刻蚀作用，最终可形成微纳复合的分级粗糙结构．在刻蚀过程中，主要发生的化学反应为Fe+4HNO3Fe(NO3)3+NOT+2H2O(1)2H2O2—}2H2O+O2f(2)反应中释放出的O，气除了能够促进金属表面微结构的氧化外还与NO一起形成微气泡源，这些气泡与空化作用产生的气泡共同作用于金属表

8、面，形成表面形貌．当刻蚀剂中的微气泡溃灭时，可伴随着