热喷涂锌铝合金超疏水涂层的制备及性能
第29卷第7期2015年7月
材料研究学报
CHINESE JOURNAL OF MATERIALS RESEARCH
V ol.29No.7
July2015
热喷涂锌铝合金超疏水涂层的制备及性能*
孙小东1,2刘刚2李龙阳2刘二勇2陆文聪1曾志翔2乌学东2
1.上海大学理学院上海200444
2.中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋新材料与应用技术重点
实验室浙江省海洋材料与防护技术重点实验室宁波315201
摘要用电弧喷涂技术在Q235钢板上喷涂锌铝合金涂层,用硬脂酸/乙醇的表面修饰技术在锌铝合金涂层表面构筑了一层
超疏水膜。用接触角测量仪(OCA-20),扫描电子显微镜(SEM)和智能型傅立叶红外光谱仪(ATR)等手段表征了涂层修饰前
后的润湿性、表面形貌以及化学结构,并用三电极体系电化学工作站(Solartron analytical)对硬脂酸表面修饰前后锌铝涂层进
行了阻抗谱和极化测试。结果表明:热喷涂锌铝涂层具有微/纳复合结构,修饰前涂层表现为亲水性,因为金属涂层具有
高表面能;经过硬脂酸表面修饰后涂层的静态接触角达到153.2°,滚动角小于10°;红外分析结果表明,锌铝涂层表面由大
量的疏水性烃基长链组成,有超疏水作用;腐蚀测试结果表明,修饰处理能明显提高锌铝涂层的防腐蚀性。涂层表面形
成的超疏水膜阻碍了界面电化学反应腐蚀产物的脱落与溶解,提高了电荷转移电阻,降低了电流腐蚀密度,从而提高了
涂层的防腐蚀性。
关键词材料失效与保护,热喷涂锌铝合金涂层,表面修饰,疏水机理,腐蚀行为
分类号TG178文章编号1005-3093(2015)07-0523-06
Preparation and Properties of Superhydrophobizted
Sprayed Zn-Al Coating
SUN Xiaodong1,2LIU Gang2LI Longyang2LIU Eryong2LU Wencong1**
ZENG Zhixiang2**WU Xuedong2
1.College of Science,Shanghai University,Shanghai200444,China
2.Key Laboratory of Marine Materials and Application and Zhejiang Key Laboratory of Marine Materials and
Protective Technologies,Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering,Chinese Academy of Science,
Ningbo315201,China
*Supported by the National Basic Research Program of China No.2014CB643302,National Natural Science Foun-
dation of China No.51335010,China Postdoctoral Science Foundation No.2014M551784,the Foundation for Se-
lected Postdoctoral Project of Zhejiang Province No.BSH1401040,State Key Laboratory for Mechanical Behavior
of Materials Foundation No.20141605,Zhejiang Provincial Innovation Team No.2011R50006and Ningbo Munici-
pal Nature Science Foundation No.2014A610010.
Manuscript received November25,2014;in revised form February23,2015.
**To whom correspondence should be addressed,Tel:(021)66132928-3513,(0574)86685036,
E-mail:wclu@https://www.360docs.net/doc/7e15319192.html,,zengzhx@https://www.360docs.net/doc/7e15319192.html,
ABSTRACT A superhydrophobic ZnAl coating was prepared by the electric arc spraying technology
and then surface modification by stearic acid/ethanol.The surface wettability,morphology and chemical
structure of the ZnAl coating before and after modification were characterized by contact angle measure-
ment(OCA-20),scanning electron microscope(SEM)and artificial FTIR spectrometer(ATR),respective-
ly.The impedance spectrum and polarization curves of the coatings were measuared by electrochemical
workstation(Solartron Analytical)with three electrodes system.The results show that the as sprayed
*国家重点基础研究发展计划2014CB643302、国家自然科学基金重点项目51335010、中国博士后科学基金2014M551784、浙江省博士后科研择优资助项目BSH1401040、金属强度国家重点实验室开放课题20141605、浙江省重点科技创新团队项目2011R50006和宁波市自然科学基金2014A610010资助。
2014年11月25日收到初稿;2015年2月23日收到修改稿。
本文联系人:陆文聪,教授;曾志翔,研究员
材料研究学报29卷ZnAl coating consists of irregular micro-and nano-sized alloy particles and pores,and exhibits clear hy-drophilicity,which may be ascribed to the high surface energy of metallic coating.After the surface modifi-
cation with stearic acid,the static contact angle of the coating reached153.8°with a rolling angle less
than10°,because there exsited a large number of hydrophobic long alkyl chains on the surface of the modified ZnAl coating.In addition,the surface modification could significantly enhance the corrosion re-sistance of ZnAl coating due to that the thin hydrophobic film plays an important role in supression of the
fall off and dissolution of corrosion products on the ZnAl coating,leading to the increase of charge trans-
fer resistance and the corrosion current density.
KEY WORDS materials failure and protection,thermal spraying Zn-Al coating,surface modification, hydrophobicity,corrosion behavior
自20世纪90年代Barthlott&Neinhuis[1]揭示了荷叶“自清洁”效应的奥秘以来,基于各种方法在各种基体上制备超疏水表面的研究很多,其关键一点是这种表面由微/纳复合结构组成或由低表面能物质修饰。例如,Bae等[2]用电火花线切割加工的方法在铝合金表面形成了双尺度正弦图案,水静态接触角高达156°,而接触角滞后小于3°。Liu等[3]用刻蚀铝箔片的方法在铝片表面生长出三羟铝石针状微纳米复合阵列结构,随后用硬脂酸修饰,其水静态接触角达到167°,滚动角为3°。Yu等[4]则用电化学方法在铜片表面沉积Ni/P涂层,这种涂层具有花蕊般微纳米结构,水静态接触角也达到了155.5°;Lee等[5]以聚碳酸酯为模板,用热压法在高密度聚苯乙烯膜表面形成纳米级圆柱状阵列结构,其水静态接触角达到165°。但是上述类似或不同的制备方法[6-9]都有一个共同的不足:实验过程复杂、条件苛刻和难以工程化应用。作为一种表面强化技术,热喷涂不仅喷涂效率高,而且成本低,最重要的是可实现工程化应用。此外,热喷涂防腐涂层已广泛应用于现代化工业、生活中,并且人们对其防腐蚀性能的研究已十分深入[10-12],如电子行业铸管、停车场、桥梁以及海洋中钢结构件表面防护。在多种热喷涂防腐涂层的研究中,电弧喷涂锌铝合金以优异的长效防护能力和较低的成本得到了广泛的应用。因此,本文用高速电弧喷涂技术制备具有一定微纳形貌锌铝合金涂层,而后用硬脂酸在锌铝涂层上构筑超疏水表面[13,14],研究这种超疏水涂层的疏水机理以及疏水行为对锌铝涂层的腐蚀行为的影响。
1实验方法
将块状Q235低碳钢(3.5cm×1.5cm)样品分别用丙酮、乙醇、蒸馏水进行超声清洗,放入烘箱中干燥后进行喷砂处理,使其表面粗糙化。将处理好的样品固定于喷涂工装台上,用高速电弧喷涂设备(上海休玛XM-400)在其表面喷涂一层锌铝涂层。将喷涂有锌铝涂层的低碳钢块浸入到10mmol/L的硬脂酸乙醇溶液中,静置一定时间后加热温度为50℃。最后将得到的修饰涂层依次用乙醇和蒸馏水清洗,干燥后进行测试。实验所用试剂均为分析纯。
用接触角测量仪(OCA20,Dataphysics,Germa-ny)在室温下测量涂层修饰前后静态接触角,设置测量仪参数自动转动样品台测得滚动角,测量水滴为3μL;用智能型傅立叶红外光谱仪(ATR,Nico-let6700,America)表征经过硬脂酸修饰的涂层表面;用场发射扫描电镜(Quanta FEG250,FEI,America)观察涂层表面形貌;使用电化学工作站(Modulab ECS, Solartron Analytical)三电极体系进行电化学测试,将喷涂有锌铝涂层的低碳钢作为工作电极,铂电极为辅助电极,饱和甘汞电极为参比电极,以3.5%(质量分数)NaCl溶液为腐蚀介质,分别测试涂层修饰前后的耐腐蚀性能。
2结果和讨论
2.1锌铝涂层的表面微织构和润湿性
电弧喷涂锌铝涂层的形貌及初始接触角测试结果,如图1所示。图1a中的电弧喷涂锌铝涂层表面形貌表明,电弧喷涂涂层表面具有微/纳复合结构。进一步放大后(图1左上插图)可以看出,这些微/纳复合结构主要由熔融的微/纳尺寸的颗粒状或棒状锌铝合金堆积而成。用接触角测量仪测得3μL水滴在其表面的接触角为67.4°(图1b),表现为亲水性。涂层表面的锌铝合金及其部分氧化物的高表面能,导致液滴易于铺展。
图2给出了经过硬脂酸乙醇溶液修饰后锌铝涂层的接触角与浸泡时间的关系图。由图2可见,锌铝涂层的接触角随着在硬脂酸乙醇溶液中浸泡时间延长而逐渐增大,浸泡时间超过48h后接触角随时间的延长而减小。例如,当浸泡时间为48h后表面得到最大接触角为153.2°,72h后接触角减小为151°,表明制备超疏水锌铝涂层适宜的浸泡时间为48h。
用SEM分析经过硬脂酸乙醇溶液48h修饰后的锌铝涂层表面形貌,如图3a所示。结果表明,修饰后的锌铝涂层表面生长出了微/纳米级花状结构,高倍SEM图表明每个花状结构是由若干花瓣组
524
7期成。接触角测试的结果为,接触角为153.2°(图3b),滚动角小于10°。这一结果表明,经硬脂酸乙醇溶液改性后的锌铝涂层由原始的亲水性转变为疏水性,进一步根据Cassie-Baxter 方程
cos θc =f s (cos θs +1)-1(1)分析涂层的接触行为。式中θc 为粗糙表面表观接触角,f s 为水滴与固体的接触面占复合界面的面积分数,θs 为本征接触角。已知锌铝涂层磨光滑后接
触角θs =86.3°,θc =153.2°,代入上式得f s =0.1009。
这一结果表明,水滴在经过硬脂酸修饰的锌铝涂层表面约90%是与空气接触的,只有约10%与表面固体接触。
2.2锌铝涂层表面的化学成分硬脂酸修饰前后的锌铝涂层表面物相XRD 分析结果,如图4所示。由图4可见,采用硬脂酸修饰前,锌铝涂层主要由金属锌与金属铝相所组成;经过图3硬脂酸修饰后的锌铝涂层的表面形貌和表观接
触角
Fig.3Morphology (a)and apparent contact angle (b)of-modified Zn-Al coating
图4锌铝涂层修饰前与修饰后的XRD 衍射图
Fig.4XRD diffraction pattern of ZnAl coating after (a)
and before modification (b)
图2硬脂酸浸泡锌铝涂层的时间与接触角关系图Fig.2Relationship between water contact angle and pro-cessing time of ZnAl coating ０１０２０３０４０５０６０７０８０６
８１０１２１４１６
ｔ ／ ｈＣｏｎｔａｃｔ ａｎｇｌｅ
／
∞０３０６０９０
２q ／ （ｏ
）
图1热喷涂锌铝涂层的形貌及其表观接触角Fig.1Morphology (a)and apparent contact angle (b)of as-sprayed Zn-Al coating 孙小东等:热喷涂锌铝合金超疏水涂层的制备及性能525
材料研究学报29卷表面修饰后锌铝涂层的衍射峰出现明显的变化,在2θ的5°-30°范围内出现了明显的几个衍射峰,如左上放大图所示。经过硬脂酸修饰的锌铝涂层表面物相成分发生了变化,新出现的衍射峰为硬脂酸锌相[15,16]。锌铝涂层表面的化学成分红外光谱测试结果,如图5所示。硬脂酸的红外光谱图表明,在2918cm -1与2849cm -1处的特征吸收峰为-CH 2反对称与对称伸缩振动吸收峰,1700cm -1处则为-CO 特征吸收峰。表面修饰后的锌铝涂层红外光谱结果表明,在3600-3200cm -1处吸收峰为Zn/Al-OH 伸缩振动吸收峰,2918cm -1与2849cm -1处的吸收峰与硬脂酸的特征吸收峰一致,而1538cm -1与1398cm -1处出现了新的吸收峰可推断为-COO-Al 、-COO-Zn 振动吸收峰[17-20]。红外光谱分析结果表明,锌铝涂层经硬脂酸乙醇溶液浸泡后成功接枝了疏水性硬脂酸烃基长链,形成了低表面能的超疏水涂层。2.3腐蚀电化学行为使用交流阻抗分析软件ZSimpWin 中相似等效
电路(图6)对修饰前后锌铝涂层阻抗曲线进行拟
合,其示意图如图6所示。图6a 中的Q CPE1为超疏
水涂层电容,R c 为超疏水涂层电阻,Q CPE2为涂层双
电层电容;图6b 中的Q CPE1为涂层电容,C dl 为涂层双
电层电容,R s 都为溶液电阻,R ct 都为电荷转移电
阻。根据以上的研究结果,超疏水锌铝涂层除了表
面自组装生成一层疏水分子层外,其它界面性质与锌
铝涂层相同。此外,拟合结果表明,修饰前/后锌铝涂
层阻抗曲线拟合误差分别为3.80×10-4和2.3×10-3,说
明该组等效电路能够有效反应修饰前后锌铝涂层
的结构。
图7给出了锌铝涂层和超疏水锌铝涂层的阻抗曲线的拟合结果。可以看出,在部分高频区锌铝涂层的阻抗大于超疏水锌铝涂层,而在低频区超疏水涂层阻抗则明显高于锌铝涂层。高频区对应涂层电容电阻,故可能是硬脂酸分子自组装形成的超疏水膜不均匀且破坏了部分钝化层,使腐蚀介质更易与锌铝接触反应;低频区对应的是电荷转移电阻R ct (电
化学反应),在ZSimpWin 拟合参数中两者R ct 分别为11.59W ·cm 2和159.2W ·cm 2,可见超疏水涂层主要在界面电化学反应中起作用,通过阻止腐蚀产物的脱落和溶解来提高电荷转移电阻[21-23],从而提高了防腐蚀性。
将硬脂酸修饰前后的锌铝涂层分别在3.5%Na-Cl 溶液中进行动电位极化测试,结果如图8所示。图8表明,硬脂酸修饰前后的锌铝涂层的阴极极化曲线没有明显的差别,均为氧还原过程,腐蚀电位相差约0.1V 。但是两种涂层的阳极极化曲线有明显的不同,其中硬脂酸修饰的锌铝涂层在-1.0～-1.5V 电位区间出现明显的钝化行为,表明锌铝涂
层表面生长的硬脂酸分子层能进一步降低腐蚀速
图5硬脂酸与修饰后锌铝涂层的红外谱图Fig.5IR spectra of stearic acid (a)and modified Zn-Al coating (b)图6超疏水锌铝涂层和锌铝涂层的等效电路图
Fig.6Equivalent circuits of (a)superhydrophobic ZnAl
coating and (b)ZnAl coating 图7锌铝涂层与超疏水锌铝涂层拟合后的Nyquist 图Fig.7Nyquist image of Zn-Al coating and superhydropho-
bic Zn-Al coating
４０００３５００３０００２５００２０００１５００１０００５００
Ｔ ／ ％s ／ ｃｍ－１０２０４０６０８０１００１２０１４０１６０１８０
１２３４５６７８９
ＺＲｅ ／ W ?ｃｍ
２
ＺＩｍ ／ W ?
ｃｍ２526
7期率。进一步使用Modulab ECS 软件对极化曲线作Tafel 曲线分析,结果表明:硬脂酸修饰与未修饰锌铝涂层的腐蚀电流密度分别为1.008×10-5A ·cm 2和2.567×10-5A ·cm 2,可见硬脂酸分子层确实有一定的延缓腐蚀的作用。3结论使用硬脂酸对具有天然微/纳复合结构的锌铝涂层进行修饰,可制备出超疏水涂层。在修饰后的表面形成了微/纳级花状结构,水滴静态接触角达到153.2°,滚动角小于10°。涂层疏水性能得到改善的原因是,锌铝涂层经过硬脂酸乙醇溶液浸泡后成功接枝了疏水性硬脂酸烃基长链,从而形成了低表面能的超疏水涂层。修饰处理改善了锌铝涂层的抗腐蚀性,因为修饰后锌铝涂层表面硬脂酸分子层阻碍了腐蚀产物的脱落与溶解,增大了电荷转移电阻,从而抑制了材料的腐蚀。参考文献1W.Barthlott,C.Neinhuis,Purity of the sacred lotusor escape from contamination in biological surfaces,Planta,202,1(1997)2W.G.Bae,K.Y .Song,Y .Rahmawan,C.N.Chu,D.Kim,D.K.Chung,K.Y .Suh,One-step process for superhydrophobic metallic surfaces by wire electrical discharge machining,ACS Appl.Mater.Interfaces,4(7),3685(2012)3L.J.Liu,X.R.Feng,M.G.Guo,Eco-friendly fabrication of super-hydrophobic bayerite array on Al foil via an etching and growth process,J.Phys.Chem.C,117(48),25519(2013)4Q.Y .Yu,Z.X.Zeng,W.J.Zhao,H.Li,X.D.Wu,Q.J.Xue,Pat-terned tailored hydrophobic films designed by synergy effect of electrochemical deposition and chemical deposition,https://www.360docs.net/doc/7e15319192.html,-mun.,49(24),2424(2013)5J.Lee,R.S.Fearing,Wet self-cleaning of superhydrophobic micro-fiber adhesives formed from high density polyethylene,Langmuir,28(43),15372(2012)6WAN Yong,WANG Zhongqian,LIU Yifang,Fabrication and tribo-
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图8锌铝涂层与超疏水锌铝涂层的极化曲线Fig.8Polarizations curves of Zn-Al coating and superhy-drophobic Zn-Al coating －６－５－４－３－２－１－２．０－１．５－１．０－０．５０．
０
Ｅ ／
Ｖ
ｌｇ（Ｉ， Ａ?ｃｍ－２） Ｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ ｃｏａｔｉｎｇＺｎ－Ａｌ ｃｏａｔｉｎｇ孙小东等:热喷涂锌铝合金超疏水涂层的制备及性能527
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528
超疏水性材料
揭秘超疏水性表面 哈工大报讯（潘钦敏）[编者的话] 宋代周敦颐在《爱莲说》中写道“予独爱莲之出淤泥而不染”。一千年后的今天，人们已经可以从科学的角度解释莲这种“出淤泥而不染”的特性。与之相关的“仿生超疏水性表面”的研究已成为化学模拟生物体系研究中的一个新领域。本期，化工学院副教授潘钦敏为我们揭开“超疏水性表面”的神秘面纱。 浸润性是固体表面的重要特征之一,它由表面的化学组成和微观形貌共同决定。超亲水和超疏水特性是表面浸润性研究的主要内容。所谓超疏水（憎水）表面一般是指与水的接触角大于150度的表面。人们对超疏水表面的认识，主要来自植物叶——荷叶表面的“自清洁”现象。比如，水珠可以在荷叶的表面滚来滚去，即使在上面浇一些污水，也不会在叶子上留下污痕。荷叶这种出污泥而不染的特性被称作“自清洁”效应。 荷叶效应——超疏水性原理 尽管人们很早就知道荷叶表面“自清洁”效应，但是一直无法了解荷叶表面的秘密。直到20世纪90年代，德国的两个科学家首先用扫描电子显微镜观察了荷叶表面的微观结构，认为“自清洁”效应是由荷叶表面上的微米级乳突以及表面蜡状物共同引起的。其后江雷等人对荷叶表面微米结构进行深入分析，发现荷叶表面乳突上还存在纳米结构，这种微米与纳米结构同时存在的二元结构才是引起荷叶表面“自清洁”的根本原因。 为什么这样的“粗糙”表面能产生超疏水性呢？对于一个疏水性的固体表面来说，当表面有微小突起的时候，有一些空气会被“关到”水与固体表面之间，导致水珠大部分与空气接触，与固体直接接触面积反而大大减小。由于水的表面张力作用使水滴在这种粗糙表面的形状接近于球形，其接触角可达150度以上，并且水珠可以很自由地在表面滚动。即使表面上有了一些脏的东西，也会被滚动的水珠带走，这样表面就具有了“自清洁”的能力。这种接触角大于150度的表面就被称为“超疏水表面”，而一般疏水表面的接触角仅大于90度。 自然界里具有“自清洁”能力的植物除了荷叶之外，还有水稻、芋头之类的植物以及鸟类的羽毛。这种“自清洁”效应除了保持表面的清洁外，对于防止病原体的入侵还有特别的意义。因为即使有病原体到了叶面上，一沾水也就被冲走了。所以象荷花这样的植物即使生长在很“脏”的环境中也不容易生病，很重要的原因就是这种自清洁能力。 超疏水表面制备方法 人们知道荷叶自清洁效应已经很多年了，但是很长的时间内却无法做出荷叶那样的表面来。通过对自然界中典型的超疏水性表面——荷叶的研究发现，在低表面能的固体表面构建具有特殊几何形状的粗糙结构对超疏水性起重要的作用。基于这些原理，科学家们就开始模仿这种表面。现在，关于超疏水粗糙表面的研制已有相当多的报道。一般来说, 超疏水性表面可以通过两种方法来制备：一种是在疏水材料表面上构建粗糙结构；另一种是在粗糙表面上修饰低表面能的物质。比如材料学家们可以通过表面处理仿生制备了碳纳米管阵列、碳纳米纤维、聚合物纳米纤维等多种超疏水性表面。关于超疏水表面的研制方法总结起来主要有：熔融物的固化、刻蚀、化学气相沉积法、阳极氧化法、乳液聚合、相分离法以及模板法等。但是这些方法涉及复杂的化学物质和晶体生长，实验条件比较苛刻，成本高，还不能进行工
超疏水微纳米涂层的制备
ZnO/E-51复合涂料超疏水涂层的制备 1.选题的意义 润湿性是固体表面的重要性质之一，通常用液体在固体表面的接触角来表征。一般把与水的接触角大于１５０°且滚动角小于10°的固体表面，称为超疏水表面。由于超疏水表面与水滴的接触面积非常小，水滴极易从表面滚落，因此，超疏水表面不仅具有自清洁功能，而且还具有防腐蚀、防水、防雾、防雪、防霜冻、防黏附、防污染等功能[1,2]，因而在建筑、包装、服装纺织、液体输送、生物医学、交通运输以及微观分析等领域具有广泛的应用前景[3,4]。 2.实验的目的 荷叶表面具有极佳的疏水性和自清洁能力，研究发现其表面的双重微观粗糙结构和低表面能植物蜡的协同作用是形成疏水性能的主要原因。目前人工制备疏水表面的主要有两个途径：，一类是在低表面能的物质表面构造出一定的粗糙结构[5-6]，另一类则是在粗糙度合适的物质表面覆盖低表面能材料[7-8]。大量研究表明合适尺度的粗糙结构是指具有微－纳米尺度的二元粗糙结构[5]。当前有关超疏水表面制备技术和方法报道得较多，但大多采用复杂、高成本的纳米技术如光刻、静电纺丝、溶胶－凝胶和相分离、化学反应沉积、层层自组装等。受技术与实验条件的限制，这些超疏水表面制备技术与实际应用还有较大差距。本实验通过ZnO微粉与环氧树脂机械混合，制备ZnO/E-51复合涂料，固化后通过简单的化学刻蚀和表面修饰，形成微－纳米尺度二元粗糙结构，获得具有超疏水特性的大面积表面。 3.实验方法 3.1原材料 原材料ZnO微粉，粒径范围为0.1～1.5um；硬脂酸、冰醋酸和无水乙醇,环氧树脂(CYD-128),去离子水，实验室自制；50%的冰醋酸溶液由去离子水与冰醋酸按比例混合，实验室自制；1%的硬脂酸溶液由无水乙醇和硬脂酸按比例混合，实验室自制。 3.2．ZnO/E-51复合涂料的固化 采用真空袋压法制备固化的ZnO/环氧树脂复合涂料。将环氧树脂E-51和ZnO微粉按质量比1：2称量，采用机械搅拌方法混匀，制备环氧树脂浆料；在环氧树脂浆料中加入质量比为10%的二乙烯三胺固化剂，搅拌均匀；再将加入固化剂后的环氧树脂浆料均匀地涂在处理好的模具表面，铺敷真空袋，抽真空并保持；最后，固化、脱模得到固化后的ZnO/环氧树脂复合涂料。 3.3超疏水表面的制备 首先，将上述固化后的ZnO/E-51复合涂料表面用150#水砂纸打磨，再用丙酮清洗，除去污渍；其次，把试件悬挂在50%冰醋酸溶液中刻蚀预定的时间；第3步，把刻蚀后的试件用去离子水在超声作用下清洗，除出试件表面空隙中的残留物，再在60℃烘箱中烘30min；第４步，把试件悬挂在1%硬脂酸的无水乙醇溶液中浸泡预定的时间，进行表面修饰；最后,把修饰后的试件放在50℃烘箱中烘干，即获得具有超疏水性表面的ZnO/E-51复合涂料表面。 3.4表征分析 采用扫描电镜(SEM,Quanta-200,FEI)在电压为20KV下观察表面形貌；与水的接触角采用动／静态接触角仪(SL200B, 上海梭伦信息科技有限公司)测量，去离子水滴直径约为1.5mm，采用微量注射器滴加到试件表面，取3个不同位置
热喷涂技术原理及其应用
热喷涂技术原理及其应用 摘要：对于一些超薄零件，在其表面喷涂具有高强度、硬度较高耐磨性的陶瓷涂层，增加零件的耐磨性。热喷入技术是制备涂层的主要方法，目前正迅速应用到民用工业领域。本文主要介绍了热喷涂工艺的特点、喷涂方法的种类及其技术以及热喷涂技术的应用概况,并对热喷涂技术的发展方向给予了展望。 关键字：表面工程热喷涂涂层火焰喷涂 1绪论 磨蚀和磨损是造成材料和零部件失效的主要原因。据有关资料介绍，发达国家每年由腐蚀和磨损所造成的损失约占国民经济总产值的4%～5%，而全世界每年生产的钢材约有1/10变成铁锈。我国每年由腐蚀和磨损造成的经济损失已达数亿人民币。 随着现代科学技术和现代工业发展，对各种设备零件的表面性能提出了更高的要求，特别是在一些特殊条件下工作的零件表面的耐磨性、耐蚀性及高温氧化性等。因此改善材料表面性能，不仅可以有效地延长零件的使用寿命、节约资源，更有利于社会的发展[1]。 表面工程是21世纪工业发展的关键技术之一，表面技术分为表面改性技术、薄膜技术和涂层技术三大类，而热喷涂技术是表面工程领域中十分重要的技术，约占表面工程技术的1/3，是国外50年代发展起来的一项机械零件修复和预保护的新技术。它可以使各种机械设备车辆的零部件使用寿命延长。使报废的零部件“起死回生”。从学科上讲，热喷涂技术是一个涉及金属学、高分子学、表面物理、表面化学、流体力学、传热学、等离子物理及计算机等学科的交叉边缘科学[2]。 热喷涂技术有两大突出特征:一是喷涂粉末的成分不受限制,可根据特殊要求予以选择；二是热喷涂过程中工件温度可保持在100-260℃,从而减少了变形氧化和相变等,使材料本身的性能不被破坏或损失，这些特征以及热喷涂涂层所具
超疏水表面的制备方法及应用的研究进展
超疏水表面的制备方法及应用的研究进展 摘要：在材料科学发展日新月异的今天，超疏水表面一直是材料研究的重点， 并在军事、工业、民用方面具有极高的应用前景。而润湿性是决定材料疏水性的 关键所在，如何降低润湿性是提高材料疏水性的主要手段。本文简单介绍了表面 润湿性的基本理论，综述了超疏水表面的制备方法，及其相关应用的研究进展。 关键词：超疏水表面;润湿性;微/纳米结构 1.引言 在自然界中，许多生物都有着特殊的表面结构，而其中植物叶片的表面结构 因其特殊的性质引起了人们极高的兴趣。而在植物叶片中，荷叶叶片上表面的特 殊性质又极为明显，荷叶的表面不均匀且大量地分布着平均直径在5~9微米的乳突，而乳突又是由许多的平均直径在121.1~127.5纳米的纳米分支结构组成。除 此之外，我们还可以发现在荷叶的下一层表面中还存在着纳米级的蜡晶。通过蜡 晶结构与乳突组成的微纳结构，成功地减少了叶面与液体的接触面积。与此同时，通过微纳结构，荷叶也减少了与脏污的接触，便于脏污被带走，这就是荷叶叶片 所表现出的自清洁性。而溯其根本，自清洁性又是超疏水性的一个表现。自然界 中还有很多动植物的表面有超疏水的性质，例如在水面自由移动的水蛭。为了这 些动植物的研究，是人们对于超疏水表面的认识更加深入，这对于制备功能材料 具有很好的意义。 润湿性是影响超疏水性质的关键，是指某种液体在一个平面上的延展，覆盖 的能力。假设有一液面铺展在一平面上，气、液、固三种物质接触于同一点处。 气-液界面的切线与固-液接触面的夹角为θ，称θ为接触角。为了方便判定，通 常以水与固体表面的接触角θ的大小来判断润湿性，并区分亲疏水表面。当θ大 于150?时，该表面被称为超疏水表面；当θ大于90°时，被称为疏水表面；当θ 小于90°时，被称为亲水表面；当θ小于10°时，被称为超亲水表面。其中，90° 作为亲水与疏水的分界。 假设有一理想的平滑均匀平面，没有任何粗糙介质，则表面接触角θ满足杨 氏方程： 图1两种粗糙表面的润湿模型：Wenzel模型和Cassie模型 近年来，由于超疏水表面在日常生活中及工业生产等方面有极高的价值，超 疏水表面的制备及相关应用研究日益增多，本文主要综述超疏水表面的制备方法 与其相关应用。 2超疏水表面的制备方法 固体表面的润湿性主要由两个因素决定：表面的粗糙程度和表面能。目前常 见的制备方法有刻蚀法、模版法、气相沉积法、电纺法、溶胶-凝胶法、机械拉伸、相分离法等等。但以这种方法分类并不能准确而直观的表明其制备方法的本质依据。根据润湿性的影响因素，制备方法可大致分三类：赋予低表面能物质表面适 当的粗糙结构，对粗糙表面进行表面改性以降低表面能和降低表面能同时增加粗 糙程度。 2.1赋予低表面能物质粗糙结构 赋予低表面能物质粗糙结构大致而言，就是在低表面能物质表面构造微观结构，这种方法制备的超疏水表面具有可控性强、稳定性好的性质。
超疏水表面涂层的制备
超疏水表面涂层的制备 摘要：近年来，由于超疏水膜表面在自清洁、微流体系统和特殊分离等方面的潜在应用，超疏水性膜的研究引起了极大的关注。本文着重介绍了超疏水表面涂层的几种制备方法，并对超疏水表面涂层的发展前景进行了展望。 关键字：超疏水、自清洁、制备方法 超疏水表面已在自然界生物的长期进化中产生，许多动植物(如荷叶、水稻叶、蝉翼和水黾腿)表面具有超疏水和自清洁效果，最典型的代表是所谓的荷叶效应超疏水表面是指与水的接触角大于150°而滚动角小于10°的表面[1]。Barthlott和Neinhuis[2]通过观察植物叶表面的微观结构，认为自清洁特征是由粗糙表面上微米结构的乳突以及表面的存在蜡状物共同引起的。江雷[3]认为荷叶表面微米结构的乳突上还存在着纳米结构，而这种纳/微米阶层结构是引起表面超疏水的根本原因。固体表面超疏水性是由固体表面的化学成分和微观几何结构共同决定的。由于超疏水涂层独特的表面特性和潜在的应用价值而成为功能材料领域的研究 热点,，并获得越来越广泛的应用。 超疏水涂层的制备方法 通常，制备超疏水表面有两种途径一种是在具有低表面能的疏水性材料表面进行表面粗糙化处理；另一种是在具有一定粗糙度的表面上修饰低表面能物质。查找和整理前人对于超疏水薄膜的研究，整理下来超疏水薄膜的制备方法可分为6种方法[4]，分别为：气相沉淀法、相分离法、模板法及微模板印刷法、刻蚀法、粒子填充法和其他方法。 气相沉积法 气相沉积法包括物理气相沉积法(PVD)、化学气相沉积法(CVD)等。它是将各种疏水性物质通过物理或化学的方法沉积在基底表面形成膜的过程。 Julianna A等[5]通过气相沉积法，在聚丙烯膜表面沉积多孔晶状聚丙烯涂层，使聚丙烯膜呈现超疏水性，接触角达到169°，其接触角提高了42°。他们同时对聚四氟乙烯膜进行沉积处理，接触角提高30°左右。他们用原子力显微镜表征其表面形貌，两种膜表面都呈高低不同的各种突起，他们认为正是这种高低不同的突起使膜的疏水性增强。 相分离法 相分离法是在成膜过程中通过控制成形条件，使成膜体系产生两相或多相，形成均一或非均一膜的成膜方式。该方法制备过程简便，实验条件较为容易控制，可以制备均匀、大面积的超疏水薄膜，具有较大的实际应用价值。 Takahiro Ishizaki和Naobumi Saito[6]把镁合金浸渍在硝酸铈水溶液中20分钟，二氧化铈结晶膜就可以在镁合金表面纵向生长了。晶体的密度随着浸渍时间的增加而增加。然后，把结晶膜浸泡在含有FAS和四(三甲基硅氧基)钛（TTST）甲苯溶液中，FAS分子就可以覆盖在结晶膜上，形成超疏水的涂层。这里TTST作为催化剂，促进FAS分子的水解和/或者聚合。 模板法及微模板印刷法 模板及软模板印刷法是以具有微米或纳米空穴结构的硬的或软的基底为模
超疏水表面的制备方法_石璞
功 能 高 分 子 学 报Journal of Fu nctional Polym ers Vol.21No.22008年6月 收稿日期:2008-03-10 基金项目:国家自然科学基金(10672197) 作者简介:石 璞(1976-),男,安徽安庆人,讲师,在读博士,研究方向:生物医学材料。E -m ail:s hipu1976@https://www.360docs.net/doc/7e15319192.html, 通讯联系人:陈 洪,E -mail:ch enh ong cs@https://www.360docs.net/doc/7e15319192.html, 综 述 超疏水表面的制备方法 石 璞1,3, 陈 洪2, 龚惠青3, 袁志庆1, 李福枝3, 刘跃军3 (1.中南大学粉末冶金研究所,长沙410083; 2.中南林业科技大学,长沙410004; 3.湖南工业大学包装新材料与技术重点实验室,湖南株洲412008) 摘 要: 超疏水表面材料具有防水、防污、可减少流体的粘滞等优良特性,是目前功能材料研究 的热点之一。其中超疏水表面的制备方法是研究的关键点。介绍和评述超疏水表面的制备方法, 对该领域的发展方向进行了展望。 关键词: 超疏水;表面;制备方法 中图分类号: O647 文献标识码: A 文章编号: 1008-9357(2008)02-0230-07 Methods to Prepare Superhydrophobic Surface SH I Pu 1,3, CH EN H ong 2, GONG H u-i qing 3, YUAN Zh-i qing 1, LI Fu -zhi 3, LIU Yue -jun 3 (1.Institute o f Pow der M etallurgy ,Central South U niv ersity ,Chang sha 410083,China; 2.Central South University of Forestry and Technology ,Changsha 410004,China; 3.Key Laboratory of New Material and Technology for Package,Hunan University of Technology ,Zhuzhou 412008,Hunan,China)Abstract: Superhydr ophobic m aterials have received tremendous attention in recent year s because of its special proper ties such as w ater -proof,ant-i po llution,reduction resistance o f flow ing liquid,etc.It beco mes ho tspo t research in functional m aterial field,and the preparation m ethods to acquir e excellent superhydropho bic surface are key to the r esearch.Repr esentative articles in r ecent years about prepar ation methods are review ed in this article.T he prospect of dev elo pments is proposed. Key words: super hy drophobic;surface;preparation methods 自从Onda 等[1]1996年首次报道在实验室合成出人造超疏水表面以来,超疏水表面引起了研究人员的广泛兴趣。总体说来,目前的研究主要集中在以下几个领域:(1)研究自然界中具有超疏水表面的植物和动物,为开发具有新型表面结构的材料提供灵感。高雪峰和江雷[2]、冯琳[3]、郭志光[4~5]等的论文中有详细的描述和精美的电镜照片。(2)使用无机物[6]或在金属表面制备具有超疏水性表面的材料。(3)使用高分子材料制备具有超疏水性的表面。(4)理论研究[7~11],主要是通过构建模型以探讨表面结构状况与接触角或滚 动角的关系。关于超疏水表面的基本理论,金美华的博士论文[38]有详细论述。 超疏水表面一般可以通过两类技术路线来制备:一类是在低表面能的疏水材料表面上构建微米-纳米级粗糙结构;另外一类是用低表面能物质在微米-纳米级粗糙结构上进行修饰处理。其中,制备合适微米-纳米级粗糙结构的方法是相关研究的关键。从制备方法来说,主要有蒸汽诱导相分离法、模板印刷法、电纺法、溶胶-凝胶法、模板挤压法、激光和等离子体刻蚀法、拉伸法、腐蚀法以及其他方法。在此对各种制备方法进行分类评述。 230
2011-金属基体超疏水表面制备及应用的研究进展
金属基体超疏水表面制备及应用的 研究进展 Progress in Fabrication and A pplicat ion of Superhydrophobic Surfaces on M etal Substrat es 徐文骥,宋金龙,孙 晶,窦庆乐 (大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连116024) XU Wen ji,SONG Jin long,SUN Jing,DOU Q ing le (Key Labor ator y for Precision and No n traditio nal M achining Technolog y fo r M inistry of Education,Dalian U niversity of T echno logy,Dalian116024,Liaoning,China) 摘要:在介绍润湿性相关理论的基础上,综述了国内外金属基体超疏水表面的制备方法及应用,重点讨论了阳极氧化法、电化学沉积法、化学腐蚀法、化学沉积法、一步浸泡法、热氧化法、模板法、复合法等,及超疏水表面在响应开关、自清洁、流体减阻、耐腐蚀、防冰霜、油水分离、微型水上运输器等方面的应用,最后评述了各种方法的特点,提出了在金属基体上制备超疏水表面所面临的问题。 关键词:金属基体;超疏水表面;研究进展 中图分类号:T G66 文献标识码:A 文章编号:1001 4381(2011)05 0093 06 Abstract:On the basis of the fundamental theories,the fabr ication and application of superhydropho bic surfaces on metal substrates w er e r eview ed.It em phasized to discuss preparation methods of anod ization,electro chem ical depositio n,chem ical etching,chemical deposition,one step solution imm er sion,thermal ox idatio n,template,co mposite,etc.Super hy drophobic surfaces on m etal substrates w ere also summarized in the applicatio n of response sw itch,self cleaning,drag reduction,corro sion resistance,anti icing,w ater and oil m ixture separatio n,miniatur e transporter over w ater.M ean w hile,characteristics of different kinds o f techniques w ere discussed.Finally,the pr oblem s about fabricatio n of super hy drophobic sur faces on m etal substrates w er e bro ug ht fo rw ar d. Key words:metal substrate;superhydropho bic surface;research progr ess 润湿性是固体表面的重要性质之一[1],常用接触角来衡量,当接触角小于90 时为亲水表面,小于5 时为超亲水表面,大于90 时为疏水表面,大于150 时为超疏水表面。在自然界中,到处可见超疏水现象,荷叶、水稻叶子等植物叶片具有自清洁效应,水黾能够毫不费力地站在水面上[2],蝴蝶翅膀能在雨中不被淋湿。1996年Onda等[3]首次报道了人工合成超疏水表面, 1997年,德国植物学家Bar thlott和Neinhuis[4,5]对植物的超疏水性进行了系统研究,发现荷叶的自清洁性是由表面微米结构和表面蜡层共同引起的。江雷等[6]对荷叶的进一步研究,发现微米结构的乳突上还存在纳米结构,而微纳米结构和表面蜡层共同作用是引起荷叶表面超疏水的根本原因。 由于超疏水表面具有自清洁[7,8]、减阻[9-11]、耐腐蚀[12,13]、防结冰[14-19]等特性,而金属材料在工农业生产中又被广泛地应用,因此研究金属基体超疏水表面的制备方法及应用极为重要,也引起了各国研究人员的极大兴趣。 1 相关理论 1.1 Yong氏模型 当少量液滴滴在理想固体(绝对光滑)表面,在固、液、气三相的交界处,由固、液界面经过液体内部至液、气界面的夹角称为接触角 ,其大小满足Yo ng氏方程[20]: cos =( sg- sl)/ lg(1)式中: sg, sl和 lg分别表示固 气、固 液、液 气界面的表面张力。 由式(1)可得,当液体确定时,即 lg确定时,接触
超疏水表面涂层制备技术的研究进展_王英
1 引 言 植物叶表面的自清洁效果引起了人们的兴趣，这种自清洁性质以荷叶为代表，因此称为“荷叶效应”。德国生物学家Barthlott[1]在1997年通过对近300种植物叶的结构进行研究，认为这种自清洁的特征是由粗糙的表面和表面存在的疏水的蜡状物质共同引起的。中科院研究小组[2]研究发现，在荷叶表面微米结构的乳突上还存在纳米结构，这种微米-纳米相复合的阶层结构是引起超疏水表面的根本原因；并通过试验证明[3]，单纯的微米或纳米结构虽然可以使表面产生超疏水性，但水滴在表面上不易滚动。通过大量的研究发现，固体表面浸润性由以下2个因素共同决定：①表面化学组成；②表面粗糙度。超疏水表面可以通过2种方法制得：①利用低表面能材料来构建粗糙结构； ②在粗糙表面上修饰低表面能物质。荷叶表面微观结构能够自清洁的这一发现为人工构筑超疏水表面提供了灵感。 2 超疏水表面制备技术 随着人们对超疏水表面的深入研究，许多制备方法不断涌现，目前，已经有多种方法可以人工制备超疏水表面，比如以天然动植物超疏水表面作为模板，用聚合物在其表面固化或用光刻印的方法将模板的表面形貌信息转移到复制物的表；用化学沉积（气相沉积、电化学沉积或逐层沉积）的方法在基材表面形成超疏水薄膜表面；或采用静电纺丝的方法形成纤维状微纳米尺度粗糙表面等等。 2.1 等离子体处理技术 利用等离子体对普通材料或含氟的低表面能物质进行表面粗糙化处理来制备超疏水表面的方法称为等离子体法。 Lacroix等[4]通过简单的等离子体聚合与等离子体刻蚀技术在硅基底上制得了粗糙的结构，经过进一步氟化物修饰表面后，表面呈现出超疏水的特性，水滴与表面的接触角接近180°。Khorasani等[5]在室温环境下利用CO2脉冲激光处理聚二甲基硅氧烷，使其表面产生多孔结构，测得其表面与水的接触角高达175°。这种技术处理表面是获得粗糙结构的有效方法，其优点是选择性高、快速等，但是存在的局限是成本高并且不利于大面积超疏水表面的制备。 2.2 溶胶－凝胶法 溶胶－凝胶法（Sol-gel法）是指用含有高化学活性组分的化合物作为前驱物，在酸或碱条件下进行水解产生活性的羟基，经过水解缩合反应形成溶胶，随着水解缩合反应的进行，溶胶的粘度进一步增加，最后形成凝胶，经过陈化、干燥成为干凝胶。当把溶剂去除后，有时会留下一些微纳米孔，这些孔结构赋予了材料一些性能，如超疏水性。 曲爱兰等[6]通过制备不同粒径和形状的SiO2粒子，构成了符合Cassie模型的非均相界面模型，使得水滴与涂膜表面接触时能够形成较小的粗糙度因子与高的空气捕捉率，然后利用氟硅烷的表面自组装功能制备得到了具有仿生类"荷叶效应”的超疏水膜，两者共同作用赋予了涂膜超疏水性能。测得水的静态接触角达到（174.2±2）°，接触角滞后几乎接近0°。郭志光等[7]采用溶胶－凝胶法与自组装技术相结合在硅片表面制备了具有一定表面粗糙度的薄膜，再经全氟辛基三氯甲硅烷化学修饰后制备出了具有超疏水性能的薄膜，水滴与膜表面的接触角为155～157°，滚动角小于5°。 超疏水表面涂层制备技术的研究进展 The research progress of ultra hydrophobic surface coating preparation technology 王 英(甘肃中医药大学定西校区 定西师范高等专科学校，甘肃 定西 743000)摘 要：由于超疏水表面在自清洁表面、微流体系统和生物相容性等方面的潜在应用，有关超疏水表面的研究引起了极大的关注。本文归纳了超疏水表面的制备方法和相关的理论分析, 简单介绍了本研究小组最新研制的一种超疏水涂层材料制备技术，展望了超疏水表面的研究趋势和应用前景。 关键词：超疏水；仿荷叶；多级结构；表面技术；超疏水涂层 Abstract:In recent years,for the potentional application of super hydrophobic surface in self-cleaning coating,microfluidic systems and biological compatibility etc,the research which is related on these aspects has aroused great concern.This article summarizes the preparation method of the super hydrophobic surface and some theoretical analysis related on, simply introduces a kind of newest preparation method on super hydrophobic coating materials which is developed by a research team,and also opens a prospect in the research trends and application on the super hydrophobic surface. Key words：super-hydrophobic；lotus leaf like；multi level structur；surface technology；super-hydrophobic coating 中图分类号：0647 文献标识码： B 文章编号：1003-8965(2016)01-0032-02 基金项目：2011年度甘肃省高等学校科研资助項目(1127–02)。 作者简介：王英（1966—），女，河南开封人，副教授，硕士。 综 述 32
热喷涂技术资料
齐鲁工业大学|机械与汽车工程学院 热喷涂技术的研究综述 孙* （齐鲁工业大学机械与汽车工程学院 20130102****） 摘要： 本文介绍了热喷涂技术的由来，发展历程，工艺特点（热喷涂工艺的优缺点），基本概念，总结了热喷涂技术的应用状况，探讨了新工艺、新材料在热喷涂技术中的应用前景。 关键词：表面处理；热喷涂；热喷涂的优缺点；热喷涂的应用进展 前言： 高新技术的飞速发展对提高金属材料的性能、延长仪器设备中零部件的使用寿命提出了越来越高的要求。而这两个方面的要求又面临高性能结构材料成本逐年上升的问题。近年来，表面工程发展很快，尤其是热喷涂技术获得了巨大的进展，为解决上述问题提供了一种新的方法。热喷涂技术是一种将涂层材料 (粉末或丝材 )送入某种热源 (电弧、燃烧火焰、等离子体等 )中熔化，并利用高速气流将其喷射到基体材料表面形成涂层的工艺。由于热喷涂技术可以喷涂各种金属及合金、陶瓷、塑料及非金属等大多数固态工程材料，所以能制成具备各种性能的功能涂层，并且施工灵活，适应性强，应用面广，经济效益突出，尤其对提高产品质量、延长产品寿命、改进产品结构、节约能源、节约贵重金属材料、提高工效、降低成本等方面都有重要作用。热喷涂涂层具有耐磨损、耐腐蚀、耐高温和隔热等优良性能，并能对磨损、腐蚀或加工超差引起的零件尺寸减小进行修复，在航空航天、机械制造、石油化工等领域中得到了广泛的应用【1-3】。 热喷涂发展现状： 1、热喷涂技术的由来 热喷涂是指采用氧—乙炔焰、电弧、等离子弧、爆炸波等提供不同热源的喷涂装置，产生高温高压焰流或超音速焰流，将要制成涂层的材料如各种金属、陶
瓷、金属加陶瓷的复合材料、各种塑料粉末的固态喷涂材料，瞬间加热到塑态或熔融态，高速喷涂到经过预处理（清洁粗糙）的零部件表面形成涂层的一种表面加工方法。我们把特殊的工作表面叫“涂层”，把制造涂层的工作方法叫“热喷涂”，它是采用各种热源进行喷涂和喷焊的总称。 热喷涂技术最早出现在 20世纪早期的瑞士，随后在前苏联、德国、日本、美国等国得到了不断的发展，各种热喷涂设备的研制、新的热喷涂材料的开发及新技术的应用，使热喷涂涂层质量不断得到提高并开拓了新的应用领域【4】。热喷涂技术在我国始于20世纪50年代，至70年代末形成气候。目前，无论在设备、材料、工艺、科研等方面都在迅速发展与提高，成为表面技术重要组成部分。 2、热喷涂技术的发展历程 在 1993年以前【5-6】介绍较多的是单一热喷涂的技术与方法，其中以火焰喷涂法最为常见。虽然该法(火焰温度可达 3000℃)，可熔化大多数金属，但由于陶瓷材料熔点太高而使该法受到限制。与现有的火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂等技术相比，气体爆炸喷涂具有致密性好，孔隙率低，结合强度高等优点。但因爆炸法之粉料以直线束方式射向基体表面，对形状复杂和细小件内壁难以处理，并需专门隔音装置以对付约140分贝的爆炸声，且涂层与基体之结合强度也有待于提高。新近研制的超音速喷涂法利用喷枪(具有混合气体室，燃烧室及扩张嘴)在压力下点燃混合气体，通过扩张使燃烧继续，由此可产生超音速(1370m/s)和高温(2760℃)的气流，从而能喷涂金属陶瓷，例如WC-Co和WC-Cr-Ni等粉末材料，并无脱碳现象。与爆炸喷涂相比，由于火焰的超音速提高了粒子的速度，其所制得的涂层致密且高耐水性。加上热源温度低，限制了粉末粒子加热，从而有效地抑制了粉末中 WC的分解。实验得出，超音速法所形成的涂层较等离子及氧—乙炔火焰法形成的涂层性能优越，其耐蚀性能与硬质合金YT相当。并且涂层材料已从金属、合金、陶瓷进而扩大到塑料等非导电性材料【7】。 我国热喷涂技术是从五十年代开始的,当时由吴剑春和张关宝在上海组建了国内第一个专业化喷涂厂,研制氧乙炔焰丝喷及电喷装置，并对外开展金属喷涂业务。我国热喷涂技术起步较早，50年代就发展了丝材电弧喷涂；60年代某些军工部分开始研究等离子喷涂，等离子弧焰温度高、等离于喷涂颗粒飞行速度快，
热喷涂涂层的制备
技 术 评 论 —— 运 用 显 微 组 织 分 析 解 决 实 际 问 题 热喷涂涂层的制备 作者：George Vander Voort 热喷涂涂层金相 热喷涂涂层的应用是为了改善基体材料的抗氧化、抗腐蚀、抗表面磨损和抗烧蚀能力。有涂层金属部件的准确表征要求对其显微组织进行金相检验。涂层的厚度范围从 0.002 至 0.060英寸 (0.005 至 1.5mm) 并用不同的喷涂技术和参数沉积到基底上。必须用金相制备技术准确地确定显微组织特性。由于一些涂层的脆性本质和孔隙的存在并在涂层构成了很不相同的硬度，在金相制备中总是有可能无法显示出真实的显微组织或引入假象，从而对涂层特性作出错误的诠释。光学显微技术为一块经过正确制备的涂层试样提供了一种评估手段，以确定或测定 涂层/基底界面的质量、孔 隙度、未熔化颗粒及氧化物的分布、涂层厚度、以及其它涂层特性，如图 1 所示。 各个实验室为了对热喷涂试样进行显微组织评估而使用的金相制备技术不尽相同，这一差异往往会造成勉强合格的结果。这些技术包括在粗磨和细磨阶段，碳化硅砂纸、固定或半固定金刚石的使用。粗抛光阶段是在无绒毛织物上使用分级系列的金刚石膏或悬浮液。对于最终抛光阶段，则在有绒毛或无绒毛的织物上使用细金刚石膏或悬浮液，或使用小于 1 微米的氧化铝粉。如果在使用以上任何消耗品或制备表面时采用不恰当的技术都 会产生不够精确的结果。 图 1。典型的涂层截面组织，图中示出氧化物和夹杂物 的层状组织本期标乐公司的《技术评论》是为了给读者提供能够始终如一地准确对涂层进行表征的热喷涂涂层金相制备步骤的信息。 金相试样制备 取样/切割 对于不同类型的热喷涂试样，应当使用带有金属粘接的金刚石薄片或超薄氧化铝砂轮片的精密切割机沿着垂直于试样轴的方向进行切割。试样应当用台钳夹紧，其位置应使切割片从涂层一侧进入而从基底一侧出去，这样就显著减小了涂层的损伤。图 2 示出在切割热喷涂涂层时所建议的切割片转动方向、试样位置、及试样类型。通过真空浸渗可以使多孔性涂层或易碎涂层上有一薄层的环氧树脂可以避免在切割时造成损伤。表 1 给出切割参数。每一块切下的试样都应当放在丙酮中彻底 清洗并在镶嵌前在 70°C 的烘箱中干燥 5 分钟。
喷涂工艺过程
喷涂工艺过程 1、表面预处理 为了使涂层与基体材料很好地结合，基材表面必须清洁及粗糙，净化和粗化表面的方法很多，方法的选择要根据涂层的设计要求及基材的材质、形状、厚薄、表面原始状况以及施工条件等因素而定、净化处理的目的是除去工件表面的所有污垢，如氧化皮、油渍、油漆及其他污物，关键是除去工件表面和渗入其中的油脂、净化处理的方法有，溶剂清洗法、蒸汽清洗法、碱洗法及加热脱脂法等、粗化处理的目的是增加涂层与基材间的接触面，增大涂层与基材的机械咬合力，使净化处理过的表面更加活化，以提高涂层与基材的结合强度、同时基材表面粗化还改变涂层中的残余应力分布，对提高涂层的结合强度也是有利的、粗化处理的方法有喷砂、机械加工法(如车螺纹、滚花)、电拉毛等。其中喷砂处理是最常用的粗化处理方法，常用的喷砂介质有氧化铝、碳化硅和冷硬铸铁等。喷砂时，喷砂介质的种类和粒度、喷砂时风压的大小等条件必须根据工件材质的硬度、工件的形状和尺寸等进行合理的选择。对于各种金属基体，推荐采用的砂粒粒度约为16－60号砂，粗砂用于坚固件和重型件的喷砂，喷砂压力为0、5－0、7Mpa，薄工件易于变形，喷砂压力为0、3－0、4Mpa。 特别值得注意的一点是，用于喷砂的压缩空气一定要是无水无油的，否则会严重影响涂层的质量。喷涂前工件表面的粗化程度对大多数金属材料来说2、5－13mmRa就够了。随着表面粗糙度的增加涂层与基体材料的结合增强，但是当表面粗糙度超过10mmRa后，涂层结合强度的提高程度便会减低。对于一些与基材粘结不好的涂层材料，还应选择一种与基体材料粘结好的材料喷涂一层过渡层，称为粘结底层，常用作粘结底层的材料有Mo、NiAl、NiCr及铝青铜等、粘结底层的厚度一般为0、08－0、18mm。 2、预热 预热的目的是为了消除工件表面的水分和湿气，提高喷涂粒子与工件接触时的界面温度，以提高涂层与基体的结合强度；减少因基材与涂层材料的热膨胀差异造成的应力而导致的涂层开裂、预热温度取决于工件的大小、形状和材质，以及基材和涂层材料的热膨胀系数等因素，一般情况下预热温度控制在60-120℃之间、 3、喷涂 采用何种喷涂方法进行喷涂主要取决于选用的喷涂材料、工件的工况及对涂层质量的要求。例如，如果是陶瓷涂层，则最好选用等离子喷涂；如果是碳化物金属陶瓷涂层则最好采用高速火焰喷涂；若是喷涂塑料则只能采用火焰喷涂；而若要在户外进行大面积防腐工程的喷涂的话，那就非灵活高效的电弧喷涂或丝材火焰喷涂莫属了。总 之，喷涂方法的选择一般来说是多样的，但对某种应用来说总有一种方
超疏水材料研究进展
超疏水材料研究进展 摘要:本文介绍了超疏水材料的性质、应用、转变、制备以及存在的问题等。详细介绍了超疏水材料在流体减阻中、抗腐蚀中、建筑防污耐水等领域内、微流体控制方面的应用和常用的几种制备方法。 关键词:超疏水材料；超疏水应用；制备 1 引言 近年来，超疏水材料引起了人们的普遍关注。所谓超疏水材料，就是指水在材料平面上的接触角大于150°的材料。超疏水材料的特性最初是在荷叶上发现的，荷叶表面的超疏水特性赋予了它们非常好的自清洁效应，污染物很容易被水滴带走[1]。有关超疏水的基础理论研究始于上世纪50年代，因其优异的自洁性有望在国防、众多工业领域和日常生活等方面有广阔的应用前景，研究工作备受各国重视。固体表面的润湿性是由其化学组成和表面微观结构共同决定的。目前，通过对荷叶表面自洁性的仿生研究表明，因其层级微、纳米结合的双微观结构和覆盖在上面的低表面能物质的协同效应而表现出完美的疏水性[2]。 人们通常用液体在材料表面的接触角来表征材料表面的润湿性。按照水滴在材料表面接触角大小的不同，我们可以将材料进行如下分类当接触角小于90o时，我们认为这种材料是亲水材料；如果水滴在材料表面的接触角小于5o，那么这种材料是超亲水材料，例如经浓硫酸和双氧水（体积比为7：3）处理过的硅片，水滴在它的上面会立刻铺展开，展示出超亲水的性质；当材料表面接触角大于90o时，我们认为这种材料是疏水材料；如果材料的表面接触角大于150o那么我们认为这种材料是超疏水材料，例如我们前面所提到的荷叶，水滴在其表面的接触角大于150o，不能稳定停留，极易滑落，因而造就了它“出淤泥而不染”的性质。如图1所示，（a）为亲水，（b）为疏水。 (a) (b) 图1 接触角示意图
热喷涂涂层性能检测方法
热喷涂涂层性能检测方法 热喷涂涂层在实际应用中对基体起到重要的保护作用，为确定涂层的性能和效果，检测显得尤为重要。 热喷涂涂层的性能由于影响着所防护材料的使用性能而备受关注。涂层的性能取决于喷涂设备、材料、工艺等多种因素。涂层性能的检测评估涉及很多检测方法，就一般的电弧喷涂层而言，涂层性能主要包括了涂层物理性能（如外观、密度、厚度、金相等）、力学性能（如结合强度、耐磨性、残余应力等）和化学性能（如化学成分、耐蚀性、耐热性、电化学性等）。在实际工作中并不要求电弧喷涂涂层一定要测试上述所有性能，而是要根据不同的目的来选择不同的测试项目。 涂层性能测试所涉及的国家标准 为了可靠地评价电弧喷涂涂层质量的优劣，准确测定涂层性能是否达到工艺、设计或者使用上的预期要求，需要一套比较准确的涂层质量和性能检测的方法。当然，最有效的方式就是采用现有的国家标准。表列出了现有的一些国家标准。 热喷涂涂层的测试方法 1.涂层显微金相组织 由于涂层与基体是两种截然不同的材料，硬度可能相差很大，磨制试样时需要特别谨慎。涂层试样的要求与一般金相试样有所不同，制备过程中要特别注意不能破坏涂层中微粒的组织结构，尽量避免涂层粒子在磨制试样时脱落下来。显微金相结构的分析主要包括两个步骤：样品制备和观察分析。具体步骤如下： （1）取样：样品的选择应符合国家标准GB/T13289金属显微组织检测方法规定进行，用细砂轮、线切割机或者火焰切割等方法截取一定尺寸具有研究价值的部位，且应保持所观察部位的组织不改变。
（2）样品制备：样品镶嵌，磨、抛以及腐蚀，均应按照GB/GT3298规定进行。 （3）组织结构分析步骤：将准备好的组织结构试样置于载物台上；将显微镜开关开启，打开光源，调整好照明电源使之对中；装上选好的物镜、目镜以及相应的观察方法。显微镜功能一般有6种，如明视场、暗视场、偏振光、干涉、微分干涉衬度、显微硬度；用粗细调焦钮对样品进行聚焦，同时调整好孔径和视场光栏大小，至目镜筒内观察到清晰的组织图像为止；选择好物象视场，用转换钮转向摄影系统，装上底片即可曝光拍照。 （4）样品的保存：对于涂层样品应放置在干燥器内（内有硅胶）。 2.涂层结合强度测试方法 该性能测试根据国标G9 8642-88 （热喷涂层结合强度的测定）进行。拉伸试样的材质是普通的Q235钢，经车削加工而成。具体试验步骤如下：将试样对偶件A、B喷砂处理，将试件端面A均匀地喷上待测结合强度的涂层，厚度约为0.8mm，然后用E-7胶将试件A、B件粘合，并将A试件置于B试件之上，使其同轴，经过100℃、1h加热固化以后，将试件夹在试验机夹具上，以1m/min的速度进行拉伸，记下拉断时所施加的载荷大小，同时观察拉断时，试件端面涂层的剥落情况。 用下式计算结合强度： 式中，σb—涂层得结合强度，N/mm2； F—试样破裂的最大载荷，N； A0—试验的涂层面积，mm2。 3.涂层硬度测试方法
封严涂层及其制备技术
封严涂层及其制备技术 1、定义 封严涂层是涂覆在飞机（航空）发动机气流通道的间隙部分的涂层。航空发动机在工作过程中，在离心力，气动力及热膨胀的共同作用下，转子与静子都会发生变形，导致转子与静子之间相互摩擦造成机械损伤，在设计、制造和修理过程中，转子与静子之间在构造上必须保留适当的间隙；但是发动机工作状态下转子与静子的间隙却会导致发动机效率的降低，如果采取适当的措施有效的减小发动机转子和静子之间的径向间隙则可大大提高发动机的可靠性和效率。 资料表明典型的发动机高压涡轮叶片间隙若平均减少0.245mm，涡轮效率可提高约1%；如果压气机间隙增加0.076mm，单位油耗率增加约1%。图3-1展示了径向间隙对部件效率及其耗油率的影响，随着叶片和机匣之间间隙的增加，耗油率大幅增加。此外压气机的运转间隙过大，会严重影响发动机工作时的气动性，并可能引起喘振，导致发动机稳定性下降。因此，为提高发动机的效率，降低油耗，改善发动机气动性能，应尽量减小压气机叶尖与机匣之间的径向间隙。 图3-1 径向间隙对部件效率及耗油率的影响封严涂层是一种功能涂层，被广泛的运用于不同零部件之间，例如转子轴，鼓筒、轴承、转动叶片叶尖，压气机和涡轮等封严装置表面，以控制间隙和减少泄漏，成为有效的封严技术之一。封严涂层使用位置示意图如图3-2所示。
封严涂层应具有较好的表面质量、优良的热稳定性和较小的摩擦系数，并且与基体材料之间的界面结合性能要比较好。研制封严涂层需要综合考虑涂层的各种性能，特别是涂层的磨损特性和耐冲击性能。目前采用的封严涂层主要有以下几类: 有机涂层、热喷涂涂层，烧结金属粉末；耐温可1000℃的填充或不填充的薄壁蜂窝结构涂层；耐温可达1200℃的可控孔隙率陶瓷涂层。 封严涂层通常是成对出现的，即在压气机的静子部件的表面喷涂可磨耗的密封涂层，与叶片等动子尖端的硬质涂层形成一对可磨耗密封摩擦副。根据用途，可将封严涂层分为两大类，即可磨耗封严涂层和耐磨封严涂层。 可磨耗封严涂层是喷涂在与转动组件相配合的静子环带上的允许磨耗的软涂层。高速高温条件下，配副发生刮擦时封严材料必须先被刮削，封严涂层对转动部件没有损伤或只产生可容忍的损伤；封严涂层材料能准确配合或适应对摩副的形状，形成最小的工作间隙。此外，可磨耗封严涂层还必须满足以下条件：具有良好的减摩性能以降低能耗；磨痕表面光滑平整以减小空气动力损失；因此，可磨耗封严涂层材料表层必须兼顾一定性能要求并取得一定平衡，目前采用复合涂层的设计和工艺来实现。 可磨耗封严涂层的种类随着发动机工作温度的升高而不断发展，在中低温阶段，涂层基体通常为金属材料，如镍、铜、铬、铝等及其合金；目前，运用较为成熟的可磨耗封严涂层为铝基合金和镍基合金涂层体系，使用温度在1000℃以下，表3-1为常用的可磨耗封严涂