鈦合金表面潤濕性調控及其耐受性研究.pdf

1、建設海洋工程是實現“中國夢”的重要途徑。但幾乎所有的海洋工程設施都受油污和海洋生物的危害。仿生學研究表明，鯊魚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~皮效應，通過制備具有仿生結構的疏水/疏油表面有望從根本上解決油污和海洋生物對海洋工程設施的侵害。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，制備具有不同潤濕性的疏水/疏油表面，并研究其對油（正十六烷）和海洋生物（小球藻）的耐受

2、性，主要研究內容和結果如下:
　　1.利用激光加工在Ti6Al4V表面構筑網格、直線、點陣3種仿生微結構，利用溶膠-凝膠法在微結構表面涂覆納米SiO2，并通過低表面能修飾獲得具有不同潤濕性的表面。實驗結果表明，隨著微結構間距的增大，接觸角減小。網格微結構表面最難潤濕，其次是直線，再次是點陣。網格微結構表面接觸角最大可達161.1°，滾動角最小只有0.57°。
　　2.低表面能修飾的未涂覆SiO2的微結構表面符合Wenzel模

3、型，達到疏水狀態(tài);而涂覆SiO2的微結構表面符合Cassie模型，達到超疏水狀態(tài)。
　　3.比較上述表面對水、海水（人工配制）和油（正十六烷）的潤濕性發(fā)現，低表面能修飾的未涂覆SiO2的微結構表面對油的接觸角小于90°，表面呈親油狀態(tài);而涂覆SiO2的微結構表面對油的接觸角大于90°，達到疏油狀態(tài)，但未達到超疏油狀態(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

4、到161.1°，油接觸角最大可達到106.6°。
　　4.不同潤濕性表面在油（正十六烷）中的耐受性實驗表明，表面浸于純度99.7％的正十六烷中12小時之后，低表面能修飾的涂覆SiO2的表面潤濕性變化很小，接觸角減小最多不超過5°;而未涂覆SiO2的表面接觸角減小最多為20°。網格接觸角變化量最小，其次直線，再次是點陣。并且間距越小，接觸角變化量越小。這是由于表面對油較大的接觸角使其不易被油潤濕，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一步阻擋了油對表面的污染。
　　5.實海掛板實驗定性顯示，表面生物附著量與其接觸角有關，附著量由大到小的順序為:超親水點陣表面＞親水光滑表面＞涂覆SiO2的超疏水點陣表面。通過生物顯微鏡觀察，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.為定量研究不同潤濕性表面的附著量與接觸角的關系，對制備的具有不同潤濕性的表面進行了實驗室內的小球藻沉浸實驗。結果表明，小球藻附著量由

6、多至少的順序為:點陣＞直線＞網格＞點陣(涂覆SiO2)＞直線(涂覆SiO2)＞網格(涂覆SiO2)。即表面接觸角越大，小球藻附著量越少，對海洋生物的耐受性越強。
　　7.利用動態(tài)沖刷實驗評價小球藻的附著強度，結果表明，附著強度由強至弱的順序為:點陣＞直線＞網格＞點陣(涂覆SiO2)＞直線(涂覆SiO2)＞網格(涂覆SiO2)。符合Cassie模型的具有小滾動角的表面，小球藻的附著強度更弱。
　　本研究制備的符合Cassie模