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1、Vol_35高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào)No．92014年9月CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIES1968～1974doi：10．7503／cjcu20140205超聲刻蝕法構(gòu)建分級結(jié)構(gòu)的超疏水表面黃建業(yè)，王峰會，侯紹行，趙翔(西北工業(yè)大學(xué)工程力學(xué)系，西安710129)摘要在濕法刻蝕和超聲空化的基礎(chǔ)上，采用超聲刻蝕法制備了具有微納米分級結(jié)構(gòu)的超疏水表面．以等體積比的硝酸／乙醇(體積分?jǐn)?shù)為4％)和雙氧水(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30％)的混合溶液作為刻蝕劑，在室溫下對60Si2Mn鋼、60鋼、T10鋼、cIo6鋼、65Mn鋼和硅鋼表面超聲刻蝕2～10
2、min，構(gòu)建出多種形貌的微納米分級結(jié)構(gòu)．上述表面經(jīng)氟硅烷修飾后具有超疏水性，水的表觀接觸角高達(dá)157．0。，155．8。，157．4。，154．9。，157．6。和156．8。，滾動角分別為6．5。，19．2。，6．1。，7．8。，6．7。和7．2。．與常規(guī)刻蝕方法相比，超聲刻蝕的化學(xué)刻蝕作用因與空化作用耦合而得到強(qiáng)化和改變，從而在鋼表面構(gòu)建出分級結(jié)構(gòu)．由于材料表面微結(jié)構(gòu)形貌和固／液界面接觸狀態(tài)不同，制得的超疏水表面表現(xiàn)出的潤濕行為也不同．超聲刻蝕法簡單易行，成本低廉，適用于其它金屬表面構(gòu)建微納米分級結(jié)構(gòu)和超疏水表面．關(guān)鍵詞超疏水表面；超聲刻蝕；分級結(jié)構(gòu)；空
3、化作用中圖分類號0647文獻(xiàn)標(biāo)志碼A浸潤性是固體表面的重要屬性之一，它由固體材料表面的化學(xué)組成和微觀形貌共同決定]．自從關(guān)于荷葉超疏水現(xiàn)象和自清潔效應(yīng)的研究報(bào)道以來，超疏水材料開始受到極大關(guān)注．由于較低的固／液界面附著力，水滴在超疏水表面上很難穩(wěn)定停留，易于滾落而帶走表面的污染物，因此超疏水表面具有自清潔、不黏、抗污等特性．oJ．超疏水材料在許多領(lǐng)域中都具有重要的應(yīng)用價(jià)值l卜，從而引起了廣泛的關(guān)注和研究’m’“．作為產(chǎn)量和消耗量最大的金屬，鋼鐵在機(jī)械、建筑、船舶等方面有著廣泛的應(yīng)用，而超疏水表面能夠?qū)崿F(xiàn)金屬的防腐蝕保護(hù)和水下滑移減阻J，因此在鋼鐵表面構(gòu)建超疏
4、水表面有利于減少腐蝕損耗和節(jié)省能源，具有潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值．目前表征超疏水性的2個(gè)主要指標(biāo)是表觀接觸角和接觸角滯后(或滾動角)，m川．大量研究表明，構(gòu)建微納米復(fù)合的二級結(jié)構(gòu)有利于產(chǎn)生較大的接觸角和較小的滾動角．通常，納米結(jié)構(gòu)在壓力作用下具有優(yōu)異的疏水穩(wěn)定性_1，同時(shí)能夠初步放大疏水作用；微米結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)一步減小固／液接觸面積和改變?nèi)嘟佑|線的連續(xù)性，從而與納米結(jié)構(gòu)協(xié)同作用而產(chǎn)生較大的接觸角和較小的滾動角¨乃’．根據(jù)這一理論，在固體表面構(gòu)建較均勻的微納米二級結(jié)構(gòu)，再用低表面能材料進(jìn)行修飾后，即可獲得性能良好的超疏水表面．最新研究表明，大部分鑭系元素的氧化物是本征疏水
5、的，具有優(yōu)異的抗逆性，通過電鍍將其嫁接到金屬表面并氧化后可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的疏水特性[1，而找到一種快速有效的方法對鍍層進(jìn)行微納米結(jié)構(gòu)化來實(shí)現(xiàn)超疏水性就顯得尤為重要．超疏水材料的制備主要有氣相沉積法_1]、等離子體刻蝕法_1、激光刻蝕法、陽極氧化法]、濕法刻蝕_2、水熱法¨、溶膠一凝膠法[2、電化學(xué)沉積法、模板法及自組裝法等．對于鋼鐵材料，最常用的方法是超疏水涂層¨和濕法刻蝕]．超疏水涂層由于易脫落和老化等問題而使其應(yīng)用受到限制，因此往往采用簡單的濕法刻蝕在鋼鐵表面進(jìn)行粗糙化處理，再經(jīng)表面改性處理后得到超疏水表面．在鋼鐵表面用濕法刻蝕需要高濃度的硝酸溶液L2j，具有
6、潛在的危險(xiǎn)而且難以形成納米結(jié)構(gòu)，其它方法則耗時(shí)耗工而且對設(shè)備要求較高，因此，本文利用超聲空化過程中的氣蝕作用，在幾種鋼鐵材料上通過超聲刻蝕法構(gòu)建出具有微納米分級結(jié)構(gòu)的超疏水表面，并就超聲刻蝕機(jī)理和制得材料的超疏水性進(jìn)行了分析，為金屬表面微納米結(jié)構(gòu)構(gòu)建和超疏水表面制備提供了一種新的方法．收稿日期：2014-03—11．基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號：11372251)和西北工業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)業(yè)種子基金(批準(zhǔn)號：Z2014122)資助．聯(lián)系人簡介：王峰會，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事微納米材料制備與力學(xué)測試研究．E-mail：fhwang@nwpu．e
7、du．cn高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)超聲波縱向傳播形成的負(fù)壓區(qū)長大，在正壓區(qū)迅速閉合，從而在超聲振動作用下受到壓縮和拉伸．在氣泡被壓縮至崩潰的瞬間，會產(chǎn)生巨大的瞬時(shí)壓力和高溫，一般壓力可高達(dá)幾十兆帕至上百兆帕，溫度高達(dá)幾千攝氏度至幾萬攝氏度．鋼鐵表面在刻蝕劑中反復(fù)經(jīng)受氣泡潰滅時(shí)的刻蝕作用，最終可形成微納復(fù)合的分級粗糙結(jié)構(gòu)．在刻蝕過程中，主要發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為Fe+4HNO3Fe(NO3)3+NOT+2H2O(1)2H2O2—}2H2O+O2f(2)反應(yīng)中釋放出的O，氣除了能夠促進(jìn)金屬表面微結(jié)構(gòu)的氧化外還與NO一起形成微氣泡源，這些氣泡與空化作用產(chǎn)生的氣泡共同作用于金屬表
8、面，形成表面形貌．當(dāng)刻蝕劑中的微氣泡潰滅時(shí)，可伴隨著
