鈦合金表面疏水的等離子體改性及其機理研究.pdf

1、鈦合金因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領域，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生結冰等現(xiàn)象，這在一定程度上限制了鈦合金的進一步應用。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合結構的乳突共同引起的，如果能夠按照這種疏水原理研發(fā)出超疏水表面技術，

2、并將其應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，如航空領域，發(fā)動機進氣道口處的防冰，用以防止發(fā)動機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)療器械領域這種需要也很明顯。
　　目前，超疏水涂層多采用化學法制備，雖然工藝簡單、易操作，但是制備的涂層結合力差、不耐沖擊、

3、環(huán)境適應性差，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，保障其具有良好的環(huán)境適應能力和使用壽命，將大大提高其可應用性，本文中將主要進行金屬Ti和非金屬F元素摻雜DLC薄膜研究，以揭示元素摻雜對薄膜疏水性能和力學性能的影響，同時注意到超疏水

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構，然后用低表面能摻雜DLC進行修飾的仿生疏水表面，具體研究內容及結果如下:
　　(1)采用微波電子回旋共振（Microwave Electron Cyclotron Resonance，MW-ECR）等離子體反應磁控濺射技術制備

5、Ti-DLC薄膜，研究了薄膜的化學結構及成分變化，重點考察了不同制備條件對薄膜力學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合結構薄膜，其納米硬度最高達到33GPa，磨損量最小達到12μm3，臨界載荷最大達50N，水接觸角達到最大值106.5°，分析結果顯示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，主要是由于化學鍵結構和成分發(fā)生了變化。
　　(2)采用

6、微波ECR等離子體化學氣相沉積技術制備了F-DLC薄膜，主要研究不同能量、不同百分比的F元素摻雜對薄膜表面形貌和組織結構的影響，重點調查在此種變化下薄膜的疏水性能和力學性能變化規(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)結構，這種化學鍵結構導致其力學性能變差，如:納米硬度一般在2-3GPa之間，臨界載荷最高可達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，當含量為32.6％時，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行了表面微納結構的制造，研究了不同形貌對樣品疏水性能的影響，同時將微納米結構制造與低表面能薄膜沉積工藝復合，制備了具有微納二級結構的超疏水表面。測試結果表明: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，隨樣品表面形貌復雜化的提高而不斷升高，對WC涂層樣品進行F-DLC修飾后，水接觸角達到最高166°;周期性微盲孔為底層微結構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涂層為底層微結構的樣品進行實際表面積和分形維數(shù)模擬計算，并對樣品的實測接觸角和模擬接觸角進行對比分析。基