鈦合金表面疏水的等離子體改性及其機(jī)理研究.pdf

1、鈦合金因具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)而被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域，但由于具有較高的表面自由能，顯示為親水性，不具備自清潔性能，長期在潮濕空氣中會發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，并且一些裝備中的鈦合金部件容易產(chǎn)生結(jié)冰等現(xiàn)象，這在一定程度上限制了鈦合金的進(jìn)一步應(yīng)用。自然界中以荷葉為代表的生物表皮超疏水和自清潔現(xiàn)象給了我們重要啟示，研究發(fā)現(xiàn)荷葉自清潔功能是由表面疏水的蠟狀低表面能材料和微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的乳突共同引起的，如果能夠按照這種疏水原理研發(fā)出超疏水表面技術(shù)，

2、并將其應(yīng)用于鈦合金等金屬材料上，則可以起到自清潔、抑制表面腐蝕和氧化，增強(qiáng)防潮和防冰功能。目前除日常用品外，一些行業(yè)也急需長壽命超疏水表面技術(shù)，如航空領(lǐng)域，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道口處的防冰，用以防止發(fā)動(dòng)機(jī)性能損失及可能引發(fā)的故障，另外還可用于大氣數(shù)據(jù)傳感器及機(jī)翼前緣等處的防冰，用以解決阻力增加等問題，而在電子元器件及醫(yī)療器械領(lǐng)域這種需要也很明顯。
　　目前，超疏水涂層多采用化學(xué)法制備，雖然工藝簡單、易操作，但是制備的涂層結(jié)合力差、不耐沖擊、

3、環(huán)境適應(yīng)性差，常面臨涂層粉化、起泡、開裂以及疏水功能下降等失效行為。類金剛石膜（Diamond Like-carbon，DLC）具有優(yōu)異力學(xué)性能，但是由于其表面能較高，因此疏水性能較差，如果通過元素對DLC薄膜的摻雜，將其表面能降低，在提高其疏水性能的同時(shí)，保障其具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力和使用壽命，將大大提高其可應(yīng)用性，本文中將主要進(jìn)行金屬Ti和非金屬F元素?fù)诫sDLC薄膜研究，以揭示元素?fù)诫s對薄膜疏水性能和力學(xué)性能的影響，同時(shí)注意到超疏水

4、和良好綜合性能表面的獲得，通常是低表面能材料和粗糙表面形貌協(xié)同的結(jié)果，因此本文還研究了以超音速火焰噴涂(Supersonic Flame Spraying，HVOF) WC和納秒激光制造的微盲孔為底層微結(jié)構(gòu)，然后用低表面能摻雜DLC進(jìn)行修飾的仿生疏水表面，具體研究內(nèi)容及結(jié)果如下:
　　(1)采用微波電子回旋共振（Microwave Electron Cyclotron Resonance，MW-ECR）等離子體反應(yīng)磁控濺射技術(shù)制備

5、Ti-DLC薄膜，研究了薄膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)及成分變化，重點(diǎn)考察了不同制備條件對薄膜力學(xué)性能和疏水性能的影響規(guī)律。制備的薄膜被證明是一種TiC納米晶鑲嵌的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜，其納米硬度最高達(dá)到33GPa，磨損量最小達(dá)到12μm3，臨界載荷最大達(dá)50N，水接觸角達(dá)到最大值106.5°，分析結(jié)果顯示Ti-DLC膜的表面能隨著Ti元素百分比含量的增加先減小后增加。分析表明薄膜疏水性能的改善，主要是由于化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)和成分發(fā)生了變化。
　　(2)采用

6、微波ECR等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備了F-DLC薄膜，主要研究不同能量、不同百分比的F元素?fù)诫s對薄膜表面形貌和組織結(jié)構(gòu)的影響，重點(diǎn)調(diào)查在此種變化下薄膜的疏水性能和力學(xué)性能變化規(guī)律。通過分析表明薄膜主要包含C-Fx(x=1，2，3)和C=C(F，H)交聯(lián)結(jié)構(gòu)，這種化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其力學(xué)性能變差，如:納米硬度一般在2-3GPa之間，臨界載荷最高可達(dá)31N，而疏水性能大為提高，在優(yōu)化工藝參數(shù)下，F(xiàn)-DLC薄膜最高水接觸角可達(dá)159.2°。 F

7、元素原子百分比含量對薄膜表面能有重要影響，含量的增加將使其逐漸降低，當(dāng)含量為32.6％時(shí)，表面能降到最低(14.74mJ/m2)。
　　(3)采用離子轟擊、超音速火焰噴涂及納秒激光加工三種手段對樣品進(jìn)行了表面微納結(jié)構(gòu)的制造，研究了不同形貌對樣品疏水性能的影響，同時(shí)將微納米結(jié)構(gòu)制造與低表面能薄膜沉積工藝復(fù)合，制備了具有微納二級結(jié)構(gòu)的超疏水表面。測試結(jié)果表明:離子束轟擊作用下，鈦合金基體的接觸角隨轟擊能量的增加，總體呈現(xiàn)逐漸升高趨勢;

8、超音速噴涂WC涂層為底層的系列樣品接觸角，隨樣品表面形貌復(fù)雜化的提高而不斷升高，對WC涂層樣品進(jìn)行F-DLC修飾后，水接觸角達(dá)到最高166°;周期性微盲孔為底層微結(jié)構(gòu)的系列樣品接觸角變化趨勢與WC涂層類似， F-DLC膜修飾后，水接觸角達(dá)到165.6°。
　　(4)基于分形幾何理論，采用投影覆蓋法，利用Matlab軟件，對以WC涂層為底層微結(jié)構(gòu)的樣品進(jìn)行實(shí)際表面積和分形維數(shù)模擬計(jì)算，并對樣品的實(shí)測接觸角和模擬接觸角進(jìn)行對比分析?；?/p>