鈦合金表面潤(rùn)濕性調(diào)控及其耐受性研究.pdf

1、建設(shè)海洋工程是實(shí)現(xiàn)“中國(guó)夢(mèng)”的重要途徑。但幾乎所有的海洋工程設(shè)施都受油污和海洋生物的危害。仿生學(xué)研究表明，鯊魚(yú)皮的表面形貌和疏水性可避免油污和海洋生物在其表面附著?；邗忯~(yú)皮效應(yīng)，通過(guò)制備具有仿生結(jié)構(gòu)的疏水/疏油表面有望從根本上解決油污和海洋生物對(duì)海洋工程設(shè)施的侵害。本文以船用鈦合金Ti6Al4V為基體材料，利用激光加工和溶膠-凝膠法涂覆納米SiO2，制備具有不同潤(rùn)濕性的疏水/疏油表面，并研究其對(duì)油（正十六烷）和海洋生物（小球藻）的耐受

2、性，主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　1.利用激光加工在Ti6Al4V表面構(gòu)筑網(wǎng)格、直線、點(diǎn)陣3種仿生微結(jié)構(gòu)，利用溶膠-凝膠法在微結(jié)構(gòu)表面涂覆納米SiO2，并通過(guò)低表面能修飾獲得具有不同潤(rùn)濕性的表面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著微結(jié)構(gòu)間距的增大，接觸角減小。網(wǎng)格微結(jié)構(gòu)表面最難潤(rùn)濕，其次是直線，再次是點(diǎn)陣。網(wǎng)格微結(jié)構(gòu)表面接觸角最大可達(dá)161.1°，滾動(dòng)角最小只有0.57°。
　　2.低表面能修飾的未涂覆SiO2的微結(jié)構(gòu)表面符合Wenzel模

3、型，達(dá)到疏水狀態(tài);而涂覆SiO2的微結(jié)構(gòu)表面符合Cassie模型，達(dá)到超疏水狀態(tài)。
　　3.比較上述表面對(duì)水、海水（人工配制）和油（正十六烷）的潤(rùn)濕性發(fā)現(xiàn)，低表面能修飾的未涂覆SiO2的微結(jié)構(gòu)表面對(duì)油的接觸角小于90°，表面呈親油狀態(tài);而涂覆SiO2的微結(jié)構(gòu)表面對(duì)油的接觸角大于90°，達(dá)到疏油狀態(tài)，但未達(dá)到超疏油狀態(tài)。各種表面的水接觸角最大，其次是海水接觸角，油接觸角最小。本研究制備出超疏水/疏油的雙疏鈦合金表面，水接觸角最大可達(dá)

4、到161.1°，油接觸角最大可達(dá)到106.6°。
　　4.不同潤(rùn)濕性表面在油（正十六烷）中的耐受性實(shí)驗(yàn)表明，表面浸于純度99.7％的正十六烷中12小時(shí)之后，低表面能修飾的涂覆SiO2的表面潤(rùn)濕性變化很小，接觸角減小最多不超過(guò)5°;而未涂覆SiO2的表面接觸角減小最多為20°。網(wǎng)格接觸角變化量最小，其次直線，再次是點(diǎn)陣。并且間距越小，接觸角變化量越小。這是由于表面對(duì)油較大的接觸角使其不易被油潤(rùn)濕，從而避免油污染，且涂覆SiO2的符合

5、Cassie模型的表面截留空氣進(jìn)一步阻擋了油對(duì)表面的污染。
　　5.實(shí)海掛板實(shí)驗(yàn)定性顯示，表面生物附著量與其接觸角有關(guān)，附著量由大到小的順序?yàn)?超親水點(diǎn)陣表面＞親水光滑表面＞涂覆SiO2的超疏水點(diǎn)陣表面。通過(guò)生物顯微鏡觀察，表面附著生物為藻類。超疏水表面具有優(yōu)異的抗海洋生物附著的性能。
　　6.為定量研究不同潤(rùn)濕性表面的附著量與接觸角的關(guān)系，對(duì)制備的具有不同潤(rùn)濕性的表面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的小球藻沉浸實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，小球藻附著量由

6、多至少的順序?yàn)?點(diǎn)陣＞直線＞網(wǎng)格＞點(diǎn)陣(涂覆SiO2)＞直線(涂覆SiO2)＞網(wǎng)格(涂覆SiO2)。即表面接觸角越大，小球藻附著量越少，對(duì)海洋生物的耐受性越強(qiáng)。
　　7.利用動(dòng)態(tài)沖刷實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)小球藻的附著強(qiáng)度，結(jié)果表明，附著強(qiáng)度由強(qiáng)至弱的順序?yàn)?點(diǎn)陣＞直線＞網(wǎng)格＞點(diǎn)陣(涂覆SiO2)＞直線(涂覆SiO2)＞網(wǎng)格(涂覆SiO2)。符合Cassie模型的具有小滾動(dòng)角的表面，小球藻的附著強(qiáng)度更弱。
　　本研究制備的符合Cassie模