超疏水表面水润滑摩擦学特性研究毕业论文docx.docx

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大连海事大学

毕业论文

二O—二年六月

超疏水表面水润滑摩擦学特性研究

专业班级：

机械设计制造及其自动化1班

姓名：

指导老师：

交通运输装备与海洋工程学院

摘要

超疏水表面因其优异的性能在高科技领域和日常生活等方面有广泛的应用,同样在摩擦学领域中也越来越显示出独特的作用，超疏水应用于减磨、减阻是最近十几年才出现的一种新兴的减阻技术，但已成为国内外关注的热点。

目前通过对荷叶表面微纳结构的仿生制造，已经可以实现在亲水材料上制备超疏水表面。

然而,超疏水表面现有的制备方法一般都工艺复杂和费用高昂,同时其超疏水性与其他材料性能很难相容,限制了其实际应用。

对此,特别需要深入理论研究,优化设计表面微纳结构。

本实验通过复合法构建微米结构和纳米结构来获得超疏水表面，首先是激光加工得到微米结构，然后将环氧树脂溶液涂在表面上，再涂上纳米二氧化硅分散液，就获得了其纳米结构，最后再用地表面能修饰液进行修饰，即得到超疏水表面，操作简单易行，成本也不高，是制备超疏水表面的一个很好的方法，也是未来超疏水表面的制备一个重要研究方向。

本实验利用接触角测量仪测试表面的水接触角和表面能，利用多功能摩擦磨损实验机测试表面摩擦学特性，利用扫描电子显微镜对摩擦后的表面进行表征分析，通过对超疏水表面摩擦磨损实验的研究以及对摩擦磨损后的SEM形貌图的观察，进一步讨论超疏水表面的摩擦磨损性能。

实验得到如下结论：

通过构建材料表面的微米结构和纳米结构，可以获得超疏水表面，而且，在一定范围内随着纳米二氧化硅浓度的增大，获得的超疏水表面的接触角越大，滚动角越小，超疏水效果越明显，表面摩擦系数越低。

超疏水表面能够明显的降低摩擦系数，减小摩擦。

关键词：

超疏水表面；接触角；微纳米结构；减阻

Abstract

Superhydrophobicsurfacesarepromisingforpotentialapplicationsinthehigh-technologyfieldanddailylifebecauseoftheirexcellentproperties,andalsohasincreasinglyshownauniqueroleinthefieldoftribology,Superhydrophobicappliedtowearreduction,dragreductionisinrecentyearsasanewtechnologyofdragreduction,buthasbecomethefocusofattentionathomeandabroad.Atpresent,bymimickingthemicro-nanostructuresoflotusleaves,itisavailabletofabricatesuperhydrophobicsurfacesbasedonhydrophilicmaterials,whichcanalmostbecom-merciallyapplicable.However,thefabricationtechniquesforsuperhydrophobicsurfacesarenotonlycomplicatedbutalsoexpensive,andsuperhydrophobicitycannotbecompatiblewithothermaterialsproperties,limitingtheirpracticalapplications.Tosolvetheseissuesandtoexplorethepossibleinitialapplicationsinthehigh-technologyfield,itisnecessarytoemploytheadvancedtheoriestodesigntheoptimalmicro-nanostructures.Thisexperimentobtainssuperhydrophobicsurfacebycompositemethodtoconstructmicro-structuresandnano-structure,Thefirstisalaserprocessingaremicronstructure,thentheepoxyresinsolutioniscoatedonthesurfaceandthencoatedwithnanosilicondioxidedispersion,getthenanometerstructure,thenthesurfacemodificationofliquidweremodified,getsuperhydrophobicsurfacetheoperationissimple,thecostisnothigh,itisagoodmethodtoobtainsuperhydrophobicsurfacesb,utalsoisanimportantstudydirectionofpreparationofsuperhydrophobicsurfacesinthefuture.TheexperimentcontactanglemeasuringinstrumentusingthetestsurfaceofthewatercontactangleandsurfaceenergyFrictionandweartestmachineusingmulti-tribologicalpropertiesofthetestsurface,usingscanningelectronmicroscopytocharacterizethefrictionofthesurfaceanalysis,tofurtherdiscusstheinfluenceofsuper-hydrophobicsurfaceonthefrictionandwearbythesuperhydrophobicsurfaceoftheexperimentalstudyoffrictionandwear,aswellasobservationoftheSEMtopographyinfrictionandwear.

Theexperimentalconclusionsareobtainedasfollows:

superhydrophobicsurfacecanbeobtainedbyconstructingthesurfaceofmicron-sizedstructuresandnano-structured,moreover,inacertainrangewithnanometersilicaconcentrationincreases,thesuperhydrophobicsurfacecontactanglelarger,thesmallertherollangle,super-hydrophobiceffectismoreobvious,thelowersurfacefrictioncoefficient.Thesuperhydrophobicsurfacecansignificantlyreducethecoefficientoffriction,reducingthefriction.

Keywords:

superhydrophobicsurface;contactangle;micronanostructure;dragreduction.

第1章绪论1.

1.1超疏水表面及发展前景1

1.2超疏水表面理论基础2.

1.2.1接触角和Young's方程2

1.2.2非理想固体表面的接触角3

1.2.3接触角滞后和滚动角4

1.3超疏水表面的摩擦学特性研究5

1.3.1超疏水影响摩擦学特性研究的进展5

1.3.2水润滑影响摩擦学特性的研究8

1.4本实验研究的内容及其意义8

1.4.1实验研究的内容.8.

1.4.2实验研究的意义.8.

第2章实验内容与实验方法9

2.1实验药品及材料9

2.2实验仪器1.0

2.2.1预磨机和金相试样抛光机10

2.2.2接触角测量仪10

2.2.3多功能摩擦磨损试验机11

2.2.4扫描电子显微镜12

2.3超疏水表面的制备12

2.3.1材料表面微米结构的构建1.2

2.3.2材料表面纳米结构的构建1.2

2.4制备的超疏水表面的接触角和滚动角的测量13

2.4.1接触角的测量13

2.4.2滚动角的测量14

2.5实验方案14

第3章实验结果与讨论16

3.1试样表面的接触角16

3.2试样表面的滚动角18

3.3试样表面的摩擦系数19

3.4超疏水表面的SEMI形貌图22

第4章结论25

参考文献26

致谢28

超疏水表面水润滑摩擦学特性研究

第一章绪论

1・1超疏水表面及发展前景

超疏水的研究开始于一句诗句“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”，当水滴

到荷叶表面时会形成亮晶晶的球形水珠如图a,这些水珠不能稳定地停留在荷

叶表面，只需倾斜一个很小的角度，水珠便会从叶面滚落，水珠滚动的同时也把荷叶表面的灰尘等污染物带走，走从而保持荷叶表面的干净如图b，荷

叶表面的这种自清洁现象被称为荷叶效应。

图1.1a）荷叶表面的水滴；b）荷叶表面自清洁图

荷叶表面之所以有这种自清洁能力，是由于荷叶表面是超疏水表面，除了荷叶以外，自然界中还有很多植物的表面具有超疏水性，如芋头叶、甘蓝、

水稻叶等，这些超疏水植物表面都具有较强的自清洁能力。

除了植物的叶片之外，许多昆虫，比如水蝇、蝴蝶、蝉等的身体都具有超疏水性部位，水蝇的腿具有一种非凡的超疏水性能，可以使得它非常容易地在水面上站立和行走，它的腿是由无数直径在微米级别上的针状的刚毛组成，而每个刚毛上面又有许多精细的纳米尺度级的凹槽•正是这些多级的表面结构，以及表面上蜡层的协同作用赋予水眼腿部这种非凡的超疏水性能。

图1.2a）水蝇站立于水面的照片；b）水蝇腿表面的扫描电镜图

那么，什么是超疏水表面呢？

通常与水接触角小于90的固体表面称为亲

水表面；接触角大于90?

勺固体表面称为疏水表面；特别的，接触角大于150?

表面⑴的称为超疏水表面。

由于超疏水表面与水滴的接触面积非常小，且水滴极易从表面滑落，因此，超疏水表面不仅具有自清洁的功能，而且还具有防电流传导、防腐蚀、防水、防雾、防毒、防雪、防霜冻、防粘附、防污染等动能[2-4]，因而在建筑、

服装纺织、液体输送、生物医学、日用品与包装、交通运输工具及微量分析等领域都具有广泛的应用前景。

超疏水表面的应用领域极其广阔。

超疏水表面用于玻璃（尤其是高楼玻璃、汽车挡风玻璃等）、陶瓷、混凝土、木材等建筑材料上，可以使材料具有自清洁（利用雨水就可以保持清洁的外观）或易于清洗的效果。

超疏水表面用于服装等纺织品上，可以起到防水防污和自清洁的效果。

超疏水表面用于高降雪地区的卫星天线或户外标牌上，可以防止因积雪导致的信号中断或外观模糊。

超疏水表面用于微流体装置中，可以实现对流体的低阻力、无漏损传送；超疏水表面用于微型水上交通工具上，可以使其具有超强的负载能力。

超疏水表面用于与血液接触的生物医学材料上，可以抑制血小板的粘附和活化，改善材料的血液相容性。

超疏水表面用于金属材料上，可以起到自清洁、

抑制表面腐蚀和表面氧化以及降低摩擦系数的效果用于船舶、舰艇的外壳或管道的内壁，可以降低它们与水流之间的摩擦阻力用于微型水上交通工具上，可以使其具有超强的负载能力。

液体对固体的润湿是常见的界面现象，润湿性是固体表面的一个重要特征。

早晨荷叶上的露珠闪闪发亮，水银在玻璃上形成水珠，而水在玻璃表面铺展开来。

从宏观角度来看，润湿是一种流体从固体表面置换另一种流体的过程；从微观上来说，润湿固体的流体，在置换原来的固体表面上的流体后，本身与固体表面是在分子水平上的接触，他们之间无被置换相的分子。

影响固体表面润湿性的因素主要有两个：

一个是表面自由能，一个是表面微观结构。

液体表面最基本的特性是倾向收缩，其表现是小液滴成球形，如水银珠和

和荷叶上的水珠那样，以及液膜自动收缩等现象，这些都是表面张力和表面自由能的结果。

固体的表面自由能（又称表面张力）YV越大，越容易被一些液体所湿润。

对液体来说，一般液体的表面张力都在100mN/m—下。

依此为界可把固体分

为两类：

一类是高能表面，例如常见的金属及其氧化物、硫化物、无机盐等，

有较高的表面自由焓，他们易为一般液体润湿；另一类是低能表面，包括一般的有机固体及高聚物，他们的表面表面自由焓与液体大致相当，它们的润湿性能与液-固两相的表面组成和性质密切相关。

1.2超疏水表面理论基础

1.2.1接触角和Young's方程

设将液体滴在固体表面上，液体并不完全展开而与固体表面成一角度，即所谓的接触角，以B表示（如图1-3），接触角的定义是，在固-液-气三相交点处作气-液界面的切线，此切线与固-液交界线之间的夹角就是接触角。

「般来说，液体滴在光滑平坦固体表面的接触角可以用Young's方程来表示

（如公式1.1）

（1.1）

yv-^S>l'Tvcos°

其中，YV、YL、YV分别为体系中固-气、固-液、液-气界面张力，0为平衡接触角，或者称为材料的本征接触角。

由Young氏方程可知，通过控制固体表面的化学组成，使固体的表面自

由能降低，可以提高固体表面的疏水性，获得较大的接触角。

应当指出，Young's方程的应用条件是理想表面，即指固体表面是组成均匀、平滑、不变形和各向同向性，只有在这样的表面上，液体才有固定的平衡接触角。

1.2.2非理想固体表面的接触角

实际应用中的固体表面并不是完全光滑的，往往具有一定的粗糙度或者化学组成不均匀，水滴会渗透到表面凹凸不平的“槽”中，因而水滴接触的实际面积往往大于表观几何上观察到的接触面积，从而使得杨氏方程并不完全适用。

为此,1936年WenzeP］将Young's⑹方程修正成：

（1.2）

cost=rcos：

此式即是著名的Wenzel方程，其模型如图（b）所示，式中r定义为粗糙度，是指实际的固-液接触面积与表观固-液接触面积之比（r》1,亠是粗糙表面的接触角。

公式表明：

（a）090时，8r随着表面粗糙度的增加而降低，表面变得更亲

液;（b）O>90时，片随着表面粗糙度的增加而变大，表面变得更疏液。

Wenzel方程揭示了均相粗糙表面的接触角和本征接触角之间的关系。

当固体

表面由不同种类的化学物质组成时，则不适用与此方程。

此时，Cassie和Baxter提出可以将粗糙不均匀的固体表面设想为一个复合表面。

假设固体表面是由两种

物质1和2组成，这两种不同成分的表面是以极小块的形式均匀分布在表面上的，那么，描述符合表面的接触角方程为：

（1.3）

cos亠二f1cos^1f2cos12

此式即是著名的Cassie方程，其模型如图（c）所示，式中，片和为液体在成

分1和成分2表面的本征接触角；fl和f2分别表示成分1和成分2所占的单位表观面积分数（f1+f2=1）0

此方程也适用于多孔的物质或粗糙至能截留空气的表面，此时表面由固体物质和空气组成。

此外，液滴在固体表面接触时还可能是介于Wenzel模型和Cassie模型之间的

过渡润湿状态，其模型如图（d）所示，研究证明，表面几何结构的改变可以导致液滴由Wenzel润湿模型向Cassie润湿模型转变。

（a）杨氏模型；（b）Wenzel模型；（c）Cassie模型；（d）Wenzel模型和Cassie模型共存

1.2.3接触角滞后和滚动角

接触角滞后［7-9］是指固体表面的前进接触角与后退接触角间存在差异的现象。

前进接触角（用玉表示）是在增加液体体积时液滴与固体表面接触的三相线将要移动而没有移动的那一状态的接触角，可以理解为下滑时液滴前坡面所必须增加到的角度，否则不会发生运动；而后退接触角（用％示）是指在缩小液滴体积时液滴与固体表面接触的三相线将要移动而没有移动的那一状态的接触角，可理解为下滑时液滴后坡面所必须降低到的角度，否则后坡面不会移动，如图，前进角总是大于后退角，即丑＞%，两者的差值“称为接触角滞后。

接触角滞后

的程度代表了液体从固体表面脱离的难易程度。

前进角与后退角相差越大，液体越不容易从固体表面脱离：

而当相差很小时，液体则很容易从固体表面脱离，此时表面具有自清洁性。

a!

Ib,i

图1.5前进角和后退角示意图

a）前进角示意图；b）后退角示意图

接触角是衡量固体表面疏水性的标准之一，通常认为：

接触角越大，其表面疏水性也就越好。

但是判断一个表面的疏水效果时，还应该考虑到它的动态过程，即水滴在表面上移动的难易程度，一般用滚动角（用a表示）（如图）来评价，它

是指当固体表面缓慢倾斜时放置在表面上的水滴在重力作用下开始移动时的临界倾斜角。

当液滴放置在倾斜的固体表面上时，如果没有接触角滞后，液滴将在重力作用下滚动。

然而实际的固体表面通常都存在着接触角滞后，因而会产生一个对抗重力作用的毛细力，可以使液滴停留在表面上。

图1.6滚动角示意图

从上面的分析可以看出，真正意义上的超疏水表面应该同时具有较大的静态接触角和最小的接触角滞后（即前进角等于后退角，滚动角等于零）。

而表面微观结构可以提高静态接触角，使液滴不易渗入粗糙结构，截留更多气体形成“气膜”这将会导致较小的接触角滞后。

因此，表面微观结构的构建对超疏水表面的制备将起到至关重要的作用。

1.3超疏水表面的摩擦学特性研究

近年来,超疏水材料在工业生产和人们的日常生活中展现出广泛的应用前景，同样在摩擦学领域中也越来越显示出独特的作用，虽然超疏水应用于减磨、减阻

是最近十几年才出现的一种新兴的减阻技术，但已成为国内外关注的热点。

1.3.1超疏水与摩擦学特性研究的进展

近年来，超疏水表面在摩擦学领域取得了相当可观的进展。

Cher［10］等将亚微

米级的聚四氟乙烯齐聚物球形颗粒压制成片，得到了接触角滞后极小前进与后退接触角均约为157°的超疏水表面，Zhan［11］等对聚四氟乙烯薄膜进行机械拉伸，膜表面接触角达到了165°，1997年中科院兰州化学物理研究所的田军［12］等利用改性硅橡胶、聚氨酯树为主，添加无机填料或有机填料制成了双组分低表面能

涂料，测量了涂有该种涂料的平板阻力，发现在低速下可以得到超过20%勺减阻效果。

郭志光等人［13］用氢氧化钠腐蚀铝及其合金表面后分别用C9F20和PDMSVW处理制得接触角分别为168°和161°的两种超疏水表面，实验发现与PDMSVW修饰的铝合金表面相比，全氟壬烷处理的接触角更大的铝表面，能够有效的降低摩擦系数。

（a）

（b）

图1.7（a）为C9F20处理铝基底后表面接触角（b）为PDMSVW修饰的铝合金表面接触角

1999年WatanabeK等［14］受到水在疏水性表面具有更好流动性的启发，利用丙烯酸树脂改性的氟烷烃,研究了方管和圆管中疏水性材料作为管壁的减阻效果，实验中发现层流时减阻量可以达到14%而湍流时这种减阻效果消失。

孙昌国等人［15］对制备的铝合金试样进行等离子体氧化，并采用自组装技术对氧化的表面进行改性处理。

利用接触角测量仪、原子力显微镜和UMT-2型微摩

擦磨损试验机对制备的试样进行表征和摩擦学特性测试。

结果表明：

经等离子体氧化的铝合金表面平整均匀，即降低了摩擦因数，又提高摩擦副的耐久性（如图

1.4）。

OTS自组装分子膜改性处理的氧化表面具有疏水特性，摩擦学性能显著提

图1.8不同方法处理的铝合金基底摩擦因数随磨损时间变化的关系曲线

Jung等人［16］用原子力显微镜研究了超疏水表面润湿性不同的高粗糙表面和低粗糙表面的摩擦学行为，结果发现在纳牛的负载下疏水性强高粗糙表面比疏水性弱的低粗糙表面具有更低的摩擦系数。

康志新等人［17］通过有机镀膜技术在镁铝合金表面制备了有机薄膜，使用原子力显微镜（AFM）观察了薄膜的表面形貌，并借助于纳米划痕测试仪评价了薄膜在均加载和恒载情况下的摩擦学特性。

研究发现：

有机镀膜后镁合金表面形成

了有序的纳米有机薄膜，有机薄膜与蒸馏水的接触角数值为108.6°（未处理镁合金基体与水的接触角为45.8）,实现了由亲水向疏水功能特性的转变；并且未处理镁合金基体的摩擦系数为0.127,有机镀膜后镁合金的摩擦系数为0.078,得知疏水性纳米薄膜能够有效降低摩擦系数。

04

0,00

0.00.51.0）52.02J3,0

Scratcheddisiamce/mm

图1.10在100mN恒载荷下镁合金表面疏水纳米薄膜与基体的摩擦系数曲线

此外，随着超疏水表面滑移效应的发现，人们开始重视研究超疏水表面滑移效应所产生的减阻新技术。

Watanabe等［19］研究了内壁覆盖氟烷烃改性的丙烯酸树脂条纹的超疏水圆管的减阻性能，实测的压强-速度剖面曲线表明，当雷诺数为500-1000时时,阻力下降达14%,对应的滑移长度达450Bechert等［20］受到鲨鱼表皮三维肋条结构的减阻性能的启发，从实验出发研究了具有类似结构的新型机翼表面的减阻性能，结果表明这种表面比光滑的机翼表面剪应力降低7.3%。

Koeltzsch等［21］研究了具有分叉型肋条结构的管道内壁表面的减阻性能,以及不同肋条结构的影响效果，这为输油管道内壁的减阻方法提供了新思路。

Truesdell等［22］测量了通过低雷诺数剪切流时，由硅橡胶PDMS修饰的微结构表面上的作用力以及速度大小，验证了超疏水表面的减阻性能。

Zhao［23］等从边界层理论，探讨并分析了超疏水表面的微观模型及滑移长度与粘性阻力的关系.

由以上研究发现，超疏水表面的减阻效果不仅与表面微结构、表面能大小有关，

还与微结构的排布态、流体的状态等因素有关。

1.3.2水润滑与摩擦学特性的研究的必要性

水是自然资源的重要组成部分，是所有生物的结构组成和生命活动的主要物质基础。

随着石油枯竭、能源危机和日益严重的生态环境污染等问题带给人们频频困扰的同时，对水资源的利用已成为人们亟待需要解决的问题。

自1860年，

M.Aert在铁路上使用水轴箱，揭开了水作为润滑剂在工程上应用序幕以来，水基

润滑越来越被广泛的应用于各种领域。

尤