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金属锌与铜表面高疏水薄膜的构筑及其摩擦学性能的多维度探究

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代工业领域,金属材料的广泛应用对其表面性能提出了更高要求。金属锌和铜因具有良好的导电性、导热性及机械性能,在电子、电力、机械制造等众多行业发挥着关键作用。然而,金属表面在自然环境中容易受到水、氧气及其他腐蚀性介质的侵蚀,从而引发腐蚀、磨损等问题,这不仅降低了金属材料的使用寿命,还可能导致设备故障和安全隐患。因此,对金属表面进行防护处理至关重要。

高疏水薄膜作为一种新型的表面防护材料,具有独特的表面性质和优异的防护性能。其表面能极低,与水的接触角大于150°,能够使水在表面迅速滚落,有效阻止水和其他腐蚀性介质与金属表面直接接触。这种特性使得高疏水薄膜在金属防护领域展现出巨大的潜力,可显著提高金属的耐腐蚀性能,延长其使用寿命。

此外,摩擦学性能也是影响金属材料在实际应用中性能的重要因素。在许多机械运动部件中,金属表面的摩擦和磨损会导致能量损耗、零件精度下降以及设备寿命缩短。高疏水薄膜不仅能够提供良好的防腐蚀保护,还可能对金属表面的摩擦学性能产生积极影响,如降低摩擦系数、提高耐磨性等。通过在金属锌和铜表面制备高疏水薄膜并研究其摩擦学性能,可以为开发新型高性能金属表面防护技术提供理论依据和实验基础,具有重要的科学研究价值和实际应用意义。

在电子设备制造中,金属零部件的腐蚀和磨损可能导致电路短路、信号传输不稳定等问题。而采用高疏水薄膜对金属锌和铜表面进行防护,可以有效提高电子设备的可靠性和稳定性,降低维护成本。在航空航天领域,金属材料需要在极端环境下保持良好的性能,高疏水薄膜的应用能够增强金属的耐腐蚀性和耐磨性,确保航空航天设备的安全运行。因此,对金属锌和铜表面高疏水薄膜的研究对于推动相关工业领域的技术进步和发展具有重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

国内外众多学者围绕金属表面高疏水薄膜的制备及其摩擦学性能展开了大量研究。在制备方法上,已经发展出化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、自组装、溶胶-凝胶等多种技术。在金属铜表面高疏水薄膜制备方面,有研究通过简单两步法,首先利用氢氧化钠化学刻蚀在铜表面构筑微纳结构薄膜,然后覆盖硬脂酸薄膜实现高疏水。通过这种方法制备的薄膜,在氢氧化钠处理导致的表面微织构化效应以及脂肪酸自组装薄膜的纳米润滑效应的联合作用下,展现出明显的减摩和耐磨特性。也有研究采用将铜样品浸入含氟硅烷化合物溶液后进行热处理的方式,成功制备出平均厚度为10nm的高疏水薄膜,该薄膜表面水滴接触角可达155°,摩擦系数相较于未处理的铜表面显著降低,其改进的摩擦性能归因于含氟硅烷分子的低表面能和分子取向。

针对金属锌表面高疏水薄膜的研究,同样取得了一定成果。有学者通过特定的表面改性处理,在锌表面制备出具有一定疏水性的薄膜,并对其摩擦学性能进行了测试分析,发现处理后的锌表面摩擦系数可降低到0.05以下,具有显著的降温效果和一定的耐磨性。在制备工艺方面,一些研究致力于优化制备条件,如调整溶液浓度、反应温度和时间等,以提高薄膜的疏水性能和稳定性。

然而,当前研究仍存在一些不足与空白。部分制备方法存在工艺复杂、成本高昂、耗时较长等问题,限制了高疏水薄膜的大规模工业化应用。不同制备方法对薄膜微观结构和性能的影响机制尚未完全明晰,需要进一步深入研究。在摩擦学性能研究方面,虽然已经取得了一些成果,但对于高疏水薄膜在复杂工况条件下,如不同温度、湿度、载荷及速度等因素综合作用下的摩擦学行为,研究还不够系统和全面。此外,关于高疏水薄膜的长期稳定性和耐久性研究相对较少,而这对于其实际应用至关重要。

1.3研究内容与创新点

本研究主要涵盖以下内容:首先,探索适用于金属锌和铜表面的高疏水薄膜制备方法,在对比多种传统制备技术的基础上,尝试对现有方法进行改进和优化,或结合多种方法的优势,以寻求一种简单、高效、低成本且适合大规模制备的工艺。选用纯度为99.9%的锌片和铜片作为实验材料,对其进行表面清洗后,采用两步表面改性处理。第一步将金属表面用丙酮和酒精清洗,并置于0.5mol/L的HNO3溶液中进行酸洗处理;第二步将金属表面放入1mg/mL的硬脂酸溶液中,在60℃下静置24h,待其完全干燥后进行后续处理。其次,运用扫描电子显微镜(SEM)、X-射线光电子谱(XPS)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)和接触角测量仪等多种手段,对制备的高疏水薄膜的表面形貌、化学组成、结构以及疏水性能进行全面表征,深入分析薄膜的形成机制和疏水原理。再者,利用球盘式摩擦试验机、微纳米摩擦磨损试验机等设备,系统研究高疏水薄膜在不同工况条件下的摩擦学性能,包括摩擦系数、磨损率等参数的变化规律,分析薄膜的减摩耐磨特性,并探讨表面结构、膜厚

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