金属材料耦合仿生多尺度微细结构功能表面的制备与功能原理

The surface function of typical living creature is affected on surface morphology, structure and materials together. In the industry some metal materials are used wildly such as aluminum alloy, copper and stainless steel and the pollution and corrosion of those materials surface should be solved. In previous research, applicant and her group fabricated biomimetic hydrophobic modify layer on magnesium alloy surface. The corrosion resistance experiments indicated that the biomimetic surface had a corrosion resistance behavior and resolved corrosion problem of magnesium alloy by a new theory. Therefore, the project is a enlarge research based on last project. The etching method, mould method and miniature carving are adopted on aluminum alloy, copper and stainless steel surface and the low energy materials are used in surface modification. Thus, function of the surface is affected on morphology, materials and structure together. Moreover, the wetting property is tested on three metal materials surface and the mathematic moulds are constructed by Wenzel and Cassie mould. The optimal microstructure parameters are obtained according to result of calculation and the values are contrasted with practice. The microstructure is modified according to changing of parameters. At last, the optimal coupling biomimetic surface is obtained and relation of morphology, materials and structure are discussed.

典型生物表面为适应环境而形成的优异功能是生物表面形态、表层结构与构成材料多因素协同作用的结果。在工业界中广泛使用的金属材料如铝合金、铜及不锈钢，都面临着表面污染腐蚀的问题。在前期研究过程中，申请人及其课题组在镁合金表面制备了仿生疏水改性层，并进行了腐蚀试验，结果表明，该表面具有良好的耐腐蚀性，利用新的思路解决了镁合金的腐蚀性问题。为此，本项目以前期工作为基础，针对铝合金、铜及不锈钢，分别采用刻蚀法、模板法、微雕技术进行仿生耦合多尺度微细结构的构筑，并用低能材料进行表面修饰，形成形态、材料、结构协同作用的仿生耦合功能表面；针对三种金属材料的功能表面进行以润湿性为主的功能测试，建立表面模型，运用Wenzel与Cassie模型计算参数，得出最优的表面结构参数，并将此结果与实际试验进行对照分析；通过结构参数的变化，调整耦合表面的微纳结构，探讨结构、材料、形态的协同作用关系。

自然界中的许多生物表面都具有超疏水特征，同时，其表面具有一些特殊性质，如自洁、防污、防结冰、润滑、减阻减摩、高黏附、耐腐蚀等特性，在建筑、纺织、航空、通讯等领域都具有十分广阔的应用及发展前景。近年来，由于电子、航空航天、汽车机械制造、高精端仪器设备的快速发展，对有色金属的需求也随之越来越大。铜合金具有优异的导电、导热及机械性能，在人类生活及工业中具有极为广泛的应用，遍及电气、建筑、机械制造及交通等多个领域；镁合金是有色实用金属中的最轻的金属，具有高比强度、高比刚性，使其具有广阔的应用前景；铝及其合金作为地壳中含量最多的金属元素，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业等领域有广泛的应用。.受自然界启发，人们在金属基体上制备具有超疏水性的表面，而对于工业中广泛使用的铜、镁、铝合金，制备具有超疏水性的功能性表面具有重要的科学意义与工业价值。.（1）选取紫铜合金为基底，分别采用电沉积技术与飞秒激光加工技术成功制备出铜合金超疏水表面，观察制备表面的微观形貌，系统分析其润湿性、耐腐蚀性、结构色等特性，并揭示了功能、结构、材料间的作用机理。.（2）通过激光加工、化学刻蚀、电沉积法等进行了仿生结构超疏水表面的制备，该表面都显示了较好的耐腐蚀性。另外，还基于生物智能调控的原理，以阳极氧化方法在AZ31镁合金基体制备了超疏水性表面，并对超疏水性及超亲水性的可逆变换进行了试验与机理探索。.（3）选用3005铝合金为基体，通过激光加工法、激光加工结合化学刻蚀法与阳极氧化法三种方法制备了铝合金超疏水性表面，系统总结了激光加工表面、化学刻蚀表面，阳极氧化表面的结构特征，分析了形态、结构、材料的影响机制，揭示了润湿性、耐腐蚀性、稳定性功能机理。