皮秒激光刻蚀制备金属超疏水/亲水复合调控表面基础研究

论文摘要

随着陆地资源的日益枯竭,人们不得不把更多的资源开发转向海洋,各种具有复合功能的润湿性表面不断在海工装备和高科技船舶上取得突破性应用。仿生超疏水/超亲水和复合极端润湿性表面由于其在水下环境中的特殊固/液/气界面接触状态提供了各种功能性表面的应用方案。本文利用皮秒激光振镜扫描系统结合涂层法在金属基板上设计制备了图形化的极端润湿性表面,探讨了超疏水与复合超疏水/超亲水表面在海工装备和海洋船舶上的抗生物附着、增浮以及减阻性能的应用方案。本文主要进行了如下几个方面的研究:（1）研究了皮秒激光刻蚀不锈钢制备不同微观形貌的粗糙表面的演变规律,详细研究了激光能量密度和扫描次数等参数对刻蚀沟槽深度、宽度以及微坑直径与深度的影响规律,在此基础上总结出激光参数对表面润湿性的调控机制。（2）利用二次皮秒激光刻蚀和涂层法制备了图案化超疏水/超亲水复合表面用于水下气泡自组装,使用设计的减阻测试系统探究了不同形状粘附气泡表面的减阻性能,其底表面粘附的气泡一定程度上增加了基板的负载能力使得在20 cm2的面积内最大承载总重量达到其自重的1.34倍,底面粘附了条形气泡的基板的最大减阻效率可达13%。该表面可以通过控制气泡的粘附和脱离实现船只的加速和减速,是一种在海洋航行领域有着较大潜力的应用方案。（3）通过实验探究了不同韦伯数的水滴撞击超疏水/超亲水表面的动态行为。基于高韦伯数下水滴撞击产生飞溅的原理设计探讨了图案化超疏水/超亲水复合表面抑制水滴撞击形成飞溅的影响。当超疏水区域为圆形且直径比Dp/D0（图案内切圆直径Dp,水滴直径D0）小于1.0时且韦伯数小于600时,水滴撞击该表面无飞溅产生。该复合表面在舰船设计、熔滴沉积、喷墨打印和精密涂层喷涂等方面具有较大的应用前景。（4）在海水环境中研究了具有十字沟槽和微坑阵列微纳结构的超疏水表面的抗生物附着性能,以及微纳结构对该性能的影响机制。在五周的海水挂板实验中,具有微坑阵列和十字沟槽微纳结构的超疏水表面的微生物覆盖率从未处理表面的92%分别下降到57%和43%,具有更丰富且尺寸更小纳米结构的微纳分级超疏水表面具有更好的抗生物附着性能。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 孙轲

导师: 曹宇

关键词: 超疏水,超亲水,皮秒激光刻蚀,金属,气泡自组装,抗生物附着,水滴撞击

来源: 温州大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,船舶工业,船舶工业,无线电电子学

单位: 温州大学

基金: NSFC-浙江两化融合联合基金项目(U1609209)“面向海工装备的超快激光加工超疏水复杂构件关键技术研究”,浙江省自然科学基金杰出青年项目(LR15E050003)“复杂曲面金属构件上的精确图形化超疏水微结构制备技术研究”

分类号: TN249;U661;U674.38

总页数: 74

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