TiNi合金表面微纳二级结构构建及超疏水性能研究
目 录
1 绪论1
1.1 研究背景1
1.2 超疏水现象1
1.3 超疏水表面的应用2
1.4 超疏水表面的制备方法3
1.5 超疏水材料二级结构的构建5
2 实验方案6
2.1 实验材料与实验装置7
2.2 实验操作方法8
2.3 试样的表征9
3 结果分析10
3.1 一级粗糙结构的构建10
3.2 一级粗糙微米结构对疏水性能的影响11
3.3 不同参数对二级纳米结构的影响12
3.4不同参数对试样表面接触角的影响17
结论20
致谢21
参考文献23
1 绪论
1.1 研究背景
润湿是自然界中最常见的现象之一，如水滴滴到荷叶上，雨滴对泥土的浸润等。润湿是指固体表面与液体接触时，原来的固相-气相界面消失，形成新的固相-液相界面，是固体表面的重要特征之一，润湿能力就是液体在固体表面铺展的能力。这种特征是由固体表面的化学组成以及微观结构共同决定的，当然特定条件下环境因素变化（如温度、压力、磁电和光热等对材料的刺激）也会明显改变润湿性[1]。具有特殊润湿性的表面。如今，科学家们十分热衷于对具有特殊湿润性的固体表面的研究以及它在工业、农业、国防和人们的日常生活中的广泛应用。近年来，随着微纳米技术的快速发展以及仿生学研究的兴起推动了固体表面润湿性的研究，特别是固体表面的超亲水现象和超疏水性现象尤其作为研究热点。
1.2 超疏水现象
自然界中所谓“超疏水”的生命现象早已发生在我们身边，如水滴可以在荷叶上来回滚动，水黾可以站立在水面上，壁虎可以悬空在墙壁上等等， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
然而最具代表性的就是大家所熟知的“荷叶效应”。植物的超疏水能力，是指植物叶面具有显著的疏水，脱附，防粘，自清洁功能等。超疏水表面是指与水的接触角大于150°，而滚动角小于10°的表面[1-2]，而表面的疏水性能通常用表面与水静态的接触角和动态的滚动角描述的。在液、固、气三相的交界处作液体表面的切线与固体表面的切线（如图1.1），两切线通过液体内部所成的夹角θ即称为接触角。
图1.1 接触角示意图
接触角数值的大小可以反映出液体对该固体表面的润湿程度（如图1.2）：
当θ=0°时，液体在固体表面上完全润湿；
当θ<5°时，此时的固体表面称为超亲水型表面，液体在固体表面上部分润湿或润湿，如图1.2（a）所示；
当θ<90°时，对应的固体表面称为亲水型表面，如图1.2（b）；
当θ=90°时，此时为润湿与否的分界线；
当θ>90°时，此时的固体表面称为疏水型表面，液体在固体上不完全润湿，如图1.2（c）；
当θ>150°时，对应的固体表面称为超疏水型表面，如图1.2（d）。
当θ=180°时，液体在固体表面上完全不润湿；
由此可知，接触角越大，表明液体越难润湿该固体表面；反而接触角越小，表明液体对该固体表面的润湿性能越好。
图1.2 不同表面水滴接触界面状态
所谓的超疏水现象，是自然界的生物为了适应其生存环境，因此在结构和功能上不断的进化而实现的。科学家们通过对这些生物的组成、结构与功能关系上的研究，来找出这种现象背后所隐藏的奥妙，同时通过一些人工方法（如化学气相沉积、电化学方法、溶胶凝胶法、聚合物溶液成膜、模板技术、电纺技术、水热法、自组装技术、酸碱蚀法等[3]）来仿制这种微纳米阶层结构以获得超疏水性能，试图解决一系列与自清洁、减摩减阻、表面防覆冰等有关的实际问题。
1.3 超疏水表面的应用
在化学模拟生物体系中，超疏水性表面是近年来比较活跃的领域之一。研究超疏水性表面对深入认识自然界中具有超疏水性植物和设计新的高纳米薄膜具有重要的作用。近年来，超疏水表面凭借其自身特有的自清洁功能、独特的表面特性以及良好的生物相容性，使其广泛应用于防水、防污、自清洁、流体减阻、抑菌等领域[4]，因此超疏水材料在现实生产和生活中具有广阔的应用前景。如今，超疏水性表面的研究已成为比较活跃的研究课题之一，这对制备新的高性能的功能材料表面有重要的作用。
同时，新型超疏水材料的应用也十分广泛：它用于室外天线上时，可以防止积雪的堆积；用于海上航行时，可以达到防污、防腐的效果；还可以用于仿生应用，如鲨鱼皮游泳衣、超强黏性手套以及石油管道的输送；也可以用于医疗方面，比如说用于微量注射器针尖，除了消除昂贵的药品在针尖上的黏附，还可以减少外界带来的对针尖的污染；在生活中还可以用于防水、防污、自清洁方面等等，超疏水材料在很多方面都具有潜在的应用背景[5]。
虽然超疏水表面应用前景如此诱人，但离大面积的实际应用还有很远的距离[6]。首先，良好的制备技术还有待开发，现如今使用的大多数的制备工艺，它们都涉及到了许多较昂贵的低表面能修饰物，比如说含氟或硅烷的化合物，以及使用中特定的设备，比较长的生产周期，生产中的环境条件比较苛刻等等，这些因素都制约了超疏水表面的实际应用，所以操作简单、成本低、环境和谐的制备技术有待我们去开发。其次，从机械力学角度上进行考虑，通过研究发现，如今制备出来的超疏水表面在强度和持久性方面都比较差，很难达到实用化的要求。
1.4 超疏水表面的制备方法
超疏水性表面的制备方法主要有两类：对于低表面能的材料，在表面构建合适的微纳米二级粗糙结构获得超疏水性；对于高表面自由能的材料，首先构建粗糙结构，然后使用低表面能的物质分子进行疏水处理，得到超疏水表面。然而近年来，由于科学技术的进步与发展，超疏水表面的制备工艺已经不断地得到了完善，现阶段已经开发出了一些操作简单、性能良好的制备方法。
1.4.1 化学刻蚀法
化学刻蚀法是指用不同组成的刻蚀试剂对金属或者合金表面进行侵蚀，利用晶格缺陷或合金不同成分耐腐蚀性差异进行选择性刻蚀，通过控制刻蚀试剂浓度和刻蚀时间，得到合适的微观粗糙结构，然后再用低表面能物质修饰，制备成超疏水表面。李艳峰[7]等用盐酸刻蚀铝合金，刻蚀后铝合金表面呈现出由矩形的凸台和凹坑构成的复杂粗糙表面结构，经氟化试剂表面改性后，水滴接触角在156°左右，滚动角为5°左右。McCarthy[7-8]等利用等离子体聚合的方法，在对苯二甲酸乙二醇酯表面上制备七氟丙烯酸酯薄膜，得到的表面与水的接触角为173°；他们还利用光刻蚀的方法制备具有微米级柱状阵列结构的硅表面，然后用硅烷偶联剂进行疏水处理得到超疏水表面。
2.1 实验材料与实验装置
2.1.1 实验材料
本实验所采用的基材为高纯度的TiNi合金材料（主要成分见表1），试样片的尺寸均为10mm×10mm×1mm，如图2.2所示。
表1 TiNi合金的化学成分（质量分数，%）
Ti Fe Mn Si Ni
43.58 0.005 0.01 0.005 余量
图2.2 试样示意图
2.1.2 化学试剂与实验仪器
1 绪论1
1.1 研究背景1
1.2 超疏水现象1
1.3 超疏水表面的应用2
1.4 超疏水表面的制备方法3
1.5 超疏水材料二级结构的构建5
2 实验方案6
2.1 实验材料与实验装置7
2.2 实验操作方法8
2.3 试样的表征9
3 结果分析10
3.1 一级粗糙结构的构建10
3.2 一级粗糙微米结构对疏水性能的影响11
3.3 不同参数对二级纳米结构的影响12
3.4不同参数对试样表面接触角的影响17
结论20
致谢21
参考文献23
1 绪论
1.1 研究背景
润湿是自然界中最常见的现象之一，如水滴滴到荷叶上，雨滴对泥土的浸润等。润湿是指固体表面与液体接触时，原来的固相-气相界面消失，形成新的固相-液相界面，是固体表面的重要特征之一，润湿能力就是液体在固体表面铺展的能力。这种特征是由固体表面的化学组成以及微观结构共同决定的，当然特定条件下环境因素变化（如温度、压力、磁电和光热等对材料的刺激）也会明显改变润湿性[1]。具有特殊润湿性的表面。如今，科学家们十分热衷于对具有特殊湿润性的固体表面的研究以及它在工业、农业、国防和人们的日常生活中的广泛应用。近年来，随着微纳米技术的快速发展以及仿生学研究的兴起推动了固体表面润湿性的研究，特别是固体表面的超亲水现象和超疏水性现象尤其作为研究热点。
1.2 超疏水现象
自然界中所谓“超疏水”的生命现象早已发生在我们身边，如水滴可以在荷叶上来回滚动，水黾可以站立在水面上，壁虎可以悬空在墙壁上等等， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
然而最具代表性的就是大家所熟知的“荷叶效应”。植物的超疏水能力，是指植物叶面具有显著的疏水，脱附，防粘，自清洁功能等。超疏水表面是指与水的接触角大于150°，而滚动角小于10°的表面[1-2]，而表面的疏水性能通常用表面与水静态的接触角和动态的滚动角描述的。在液、固、气三相的交界处作液体表面的切线与固体表面的切线（如图1.1），两切线通过液体内部所成的夹角
图1.1 接触角示意图
接触角数值的大小可以反映出液体对该固体表面的润湿程度（如图1.2）：
当θ=0°时，液体在固体表面上完全润湿；
当θ<5°时，此时的固体表面称为超亲水型表面，液体在固体表面上部分润湿或润湿，如图1.2（a）所示；
当θ<90°时，对应的固体表面称为亲水型表面，如图1.2（b）；
当θ=90°时，此时为润湿与否的分界线；
当θ>90°时，此时的固体表面称为疏水型表面，液体在固体上不完全润湿，如图1.2（c）；
当θ>150°时，对应的固体表面称为超疏水型表面，如图1.2（d）。
当θ=180°时，液体在固体表面上完全不润湿；
由此可知，接触角越大，表明液体越难润湿该固体表面；反而接触角越小，表明液体对该固体表面的润湿性能越好。
图1.2 不同表面水滴接触界面状态
所谓的超疏水现象，是自然界的生物为了适应其生存环境，因此在结构和功能上不断的进化而实现的。科学家们通过对这些生物的组成、结构与功能关系上的研究，来找出这种现象背后所隐藏的奥妙，同时通过一些人工方法（如化学气相沉积、电化学方法、溶胶凝胶法、聚合物溶液成膜、模板技术、电纺技术、水热法、自组装技术、酸碱蚀法等[3]）来仿制这种微纳米阶层结构以获得超疏水性能，试图解决一系列与自清洁、减摩减阻、表面防覆冰等有关的实际问题。
1.3 超疏水表面的应用
在化学模拟生物体系中，超疏水性表面是近年来比较活跃的领域之一。研究超疏水性表面对深入认识自然界中具有超疏水性植物和设计新的高纳米薄膜具有重要的作用。近年来，超疏水表面凭借其自身特有的自清洁功能、独特的表面特性以及良好的生物相容性，使其广泛应用于防水、防污、自清洁、流体减阻、抑菌等领域[4]，因此超疏水材料在现实生产和生活中具有广阔的应用前景。如今，超疏水性表面的研究已成为比较活跃的研究课题之一，这对制备新的高性能的功能材料表面有重要的作用。
同时，新型超疏水材料的应用也十分广泛：它用于室外天线上时，可以防止积雪的堆积；用于海上航行时，可以达到防污、防腐的效果；还可以用于仿生应用，如鲨鱼皮游泳衣、超强黏性手套以及石油管道的输送；也可以用于医疗方面，比如说用于微量注射器针尖，除了消除昂贵的药品在针尖上的黏附，还可以减少外界带来的对针尖的污染；在生活中还可以用于防水、防污、自清洁方面等等，超疏水材料在很多方面都具有潜在的应用背景[5]。
虽然超疏水表面应用前景如此诱人，但离大面积的实际应用还有很远的距离[6]。首先，良好的制备技术还有待开发，现如今使用的大多数的制备工艺，它们都涉及到了许多较昂贵的低表面能修饰物，比如说含氟或硅烷的化合物，以及使用中特定的设备，比较长的生产周期，生产中的环境条件比较苛刻等等，这些因素都制约了超疏水表面的实际应用，所以操作简单、成本低、环境和谐的制备技术有待我们去开发。其次，从机械力学角度上进行考虑，通过研究发现，如今制备出来的超疏水表面在强度和持久性方面都比较差，很难达到实用化的要求。
1.4 超疏水表面的制备方法
超疏水性表面的制备方法主要有两类：对于低表面能的材料，在表面构建合适的微纳米二级粗糙结构获得超疏水性；对于高表面自由能的材料，首先构建粗糙结构，然后使用低表面能的物质分子进行疏水处理，得到超疏水表面。然而近年来，由于科学技术的进步与发展，超疏水表面的制备工艺已经不断地得到了完善，现阶段已经开发出了一些操作简单、性能良好的制备方法。
1.4.1 化学刻蚀法
化学刻蚀法是指用不同组成的刻蚀试剂对金属或者合金表面进行侵蚀，利用晶格缺陷或合金不同成分耐腐蚀性差异进行选择性刻蚀，通过控制刻蚀试剂浓度和刻蚀时间，得到合适的微观粗糙结构，然后再用低表面能物质修饰，制备成超疏水表面。李艳峰[7]等用盐酸刻蚀铝合金，刻蚀后铝合金表面呈现出由矩形的凸台和凹坑构成的复杂粗糙表面结构，经氟化试剂表面改性后，水滴接触角在156°左右，滚动角为5°左右。McCarthy[7-8]等利用等离子体聚合的方法，在对苯二甲酸乙二醇酯表面上制备七氟丙烯酸酯薄膜，得到的表面与水的接触角为173°；他们还利用光刻蚀的方法制备具有微米级柱状阵列结构的硅表面，然后用硅烷偶联剂进行疏水处理得到超疏水表面。
2.1 实验材料与实验装置
2.1.1 实验材料
本实验所采用的基材为高纯度的TiNi合金材料（主要成分见表1），试样片的尺寸均为10mm×10mm×1mm，如图2.2所示。
表1 TiNi合金的化学成分（质量分数，%）
Ti Fe Mn Si Ni
43.58 0.005 0.01 0.005 余量
图2.2 试样示意图
2.1.2 化学试剂与实验仪器
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