扫描射流电沉积制备超疏水镍镀层工艺试验研究

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:jiangzhaomaomao
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超疏水表面具有特殊的润湿性能,可应用于自清洁、防腐蚀、抗生物附着、流体减阻等许多领域。表面润湿性由表面自由能和表面粗糙度控制。构建合适的表面粗糙结构是制备出超疏水表面的基础。电沉积法在制备超疏水表面上具有独特的优势,如工艺简单快捷,可重复性高,成本低,可制备多种表面形貌等。射流电沉积技术具有灵活、高效、可选择性沉积等优势。本文采用阳极扫描射流电沉积技术制备了具有微纳分级粗糙结构的镍镀层,经过一周的自然疏水化过程后,得到了具有优异超疏水性能的表面。本文提出了超疏水表面的制备新方法,揭示了镀层生长机理和表面润湿性转变机理。主要内容如下:(1)设计并搭建了桌面级阳极扫描射流电沉积机床。相比其它射流电沉积机床,该机床操作、维护更方便,应用范围更广。(2)试验研究了添加剂浓度、扫描次数和平均电流密度等工艺参数的影响。镀液中加入NH4Cl后,镀层表面形成了粗糙团簇结构。表面团簇尺寸和密度随着NH4Cl浓度的增大、扫描次数的增加和平均电流密度的增大而增大。NH4+的作用是稳定阴极表面pH值,增强析氢反应,降低金属沉积的形核概率,促进晶体的纵向生长,使得镀层变粗糙。在此基础上,确定了制备超疏水镍镀层的添加剂浓度和加工参数:NH4Cl添加量120g/L,平均电流密度30A/dm2,扫描次数400次。(3)分析了镀层的生长机理。由于NH4+的存在以及射流条件下沉积界面的高度不稳定性,随着沉积进行,镀层表面形成突起,粗糙度不断增大。在“尖端效应”及其屏蔽作用下,镀层生长由前期的面生长转变为突起区域的枝晶生长。镀层表面形成了具有微纳分级结构的菜花状团簇。整个镀层可分为两部分:底部完整致密的镍镀层和其上的粗糙团簇结构。(4)揭示了镀层表面润湿性的转变机理。新制备的镀层是超亲水的,在空气中放置一周后,转变为超疏水。镀层表面自发吸附的空气中的有机碳氢化合物是其表面润湿性能转变的原因。这些有机物降低了镀层的表面自由能,与镀层表面的团簇粗糙结构共同作用,使得镀层表面成为符合Cassie-Baxter模型的低粘附性超疏水表面。(5)试验验证了所制备超疏水镍镀层的性能。在空气中放置一周后,6μL水滴在表面的接触角达到155.4°,滚动角为6.5°。在200℃下放置3小时后,镀层仍然能保持超疏水性能。相比射流电沉积制备的普通亮镍镀层,超疏水镍镀层具有更好的防腐性能。
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