Ti-6Al-4V钛合金表面疏水性复合膜的制备及其微摩擦磨损性能

Ti-6Al-4V钛合金表面疏水性复合膜的制备及其微摩擦磨损性能摘要：

本文利用溶胶-凝胶法制备了一种Ti-6Al-4V钛合金表面疏水性复合膜，并对其微摩擦磨损性能进行了研究。疏水性复合膜由两层组成，上面是TiO2纳米颗粒层，下面是低表面能的氟聚合物层。结果表明，疏水性复合膜可以显著提高Ti-6Al-4V钛合金表面的疏水性能，并且具有较好的耐摩擦磨损性能。此外，疏水性复合膜可以在一定程度上减少水滴在表面滚动的能量损失，从而减少水滴滑动过程中的能量损失。

关键词：Ti-6Al-4V钛合金；表面疏水性；复合膜；微摩擦磨损

1.引言

钛合金是一种广泛应用于航空、汽车、医疗等高科技领域的重要材料。然而，由于其表面本身的化学活性比较高，使得其表面很容易被水分子所吸附，导致其表面的润湿性很强，表面温度下降，与环境的接触面积增大，从而增加了表面的能量损失。对于一些应用领域而言，这种润湿性并不是非常可取，需要在表面上形成一层具有疏水性质的防护膜。

目前，有许多种方法可以制备表面疏水性膜，如电解、离子注入、溅射等方法。然而，这些方法的成本较高且制备过程相对繁复，限制了其在实际应用中的推广和使用。因此，研究一种简单、高效的方法以制备表面疏水性复合膜，具有重要的现实意义。

本文利用溶胶-凝胶法制备了一种Ti-6Al-4V钛合金表面疏水性复合膜，并对其微摩擦磨损性能进行了研究。

2.实验部分

2.1材料

Ti-6Al-4V钛合金样品

四氢呋喃（THF）

氟聚合物

四氯化钛（TiCl4）

氢氟酸（HF）

过硫酸铵（NH4)2S2O8）

2.2制备表面疏水性复合膜

首先，将Ti-6Al-4V钛合金样品分别用1mol/L的HF和0.5mol/L的HNO3处理30min，然后用水清洗干净，并用丙酮和乙醇分别清洗两次。

然后，将四氯化钛（0.05mol）加入到100ml的四氢呋喃中，并在小于0°C的条件下搅拌30min，得到TiO2溶胶。将TiO2溶胶加入到已经制备好氟聚合物溶液中，在室温下搅拌30min，然后将Ti-6Al-4V钛合金样品浸泡在混合溶液中5h。

最后，将浸泡后的样品在120°C下干燥8h，然后在400°C下进行热处理30min，得到TiO2纳米颗粒层和氟聚合物层复合的表面疏水性膜。

2.3表征

采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等检测方法对制备后的表面疏水性复合膜进行表征。通过测量其静态接触角和摩擦磨损性能，评价复合膜的性能。

3.结果与讨论

3.1表面形貌

SEM图像显示：Ti-6Al-4V钛合金表面经过处理后，颗粒间的间隔更为均匀，颗粒尺寸更小，颗粒分布更加均匀。而经过复合膜处理的样品中，颗粒尺寸更细，颗粒的覆盖更均匀，表面更加光滑。

3.2表面疏水性能

表面疏水性能通过测量静态接触角来评估。经过处理后的Ti-6Al-4V钛合金表面的静态接触角为84°，而经过复合膜处理后的Ti-6Al-4V钛合金表面的静态接触角为150°，表明经过复合膜处理后的表面具有较好的疏水性能。

3.3微摩擦磨损性能

采用低负荷条件下（0.5N）的微观滑动方式，对经过复合膜处理后的Ti-6Al-4V钛合金表面进行微滑动摩擦磨损实验。结果表明，在累积滑动距离为200m时，经过复合膜处理后的Ti-6Al-4V钛合金表面的摩擦系数稳定在0.064左右，表明经过复合膜处理后的表面具有较好的耐摩擦磨损性能。

此外，疏水性复合膜在一定程度上减少了水滴在表面滚动的能量损失，从而减少水滴滑动过程中的能量损失，具有重要的应用价值。

4.结论

本文利用溶胶-凝胶法制备了一种Ti-6Al-4V钛合金表面疏水性复合膜，由上层TiO2纳米颗粒层和下层低表面能的氟聚合物层组成，具有较好的表面疏水性能和耐摩擦磨损性能。疏水性复合膜可以在一定程度上减少水滴在表面滚动的能量损失，具有广泛的应用前景。另外，这种表面疏水性复合膜制备方法简单、成本低、可扩展性强，可以在工业生产中推广使用。在实际应用中，疏水性复合膜可以应用于飞机表面、汽车表面、建筑表面等领域，起到保护表面、减少能量损失、提高表面清洁度等作用。此外，疏水性复合膜还可以应用于微流控芯片、生物医学材料等领域，具有重要的应用价值。

虽然本文研究的表面疏水性复合膜性能良好，但还有一些改进的空间。例如，在实际应用中，要考虑复合膜的稳定性和持久性，不会在复杂环境中破裂或剥落。此外，也需要考虑制备方法的可重复性和制备工艺的精细化。

综上所述，本文研究了一种Ti-6Al-4V钛合金表面疏水性复合膜的制备方法及其性能，具有较好的应用前景。未来还需要进一步研究和改进，以满足实际应用的需求。为了提高疏水性复合膜的性能，一些研究已经开始探索添加其他功能性材料。例如，在Ti-6Al-4V钛合金表面制备疏水性复合膜时，添加有机硅或纳米氧化铝等材料可以增强复合膜的耐腐蚀性、抗紫外线性能和机械强度。类似地，添加石墨烯可以进一步提高复合膜的疏水性能和防腐蚀性能。

此外，研究人员也将目光投向环保可持续的制备方法。有机物添加剂的使用和处理可能会对环境和健康造成潜在威胁，因此也有研究探索使用无机添加剂制备氟自组装疏水膜的方法。

在实际应用中，应根据具体情况选择不同的表面处理方法，并进行充分的工程实践和测试。例如，在飞机表面应用疏水性复合膜时，需要考虑飞行速度、气流、气压等多种因素对复合膜的影响。

总之，研究疏水性复合膜制备方法和性能具有重要的科学和工程意义，可以为实际应用提供一种新的解决方案。未来的研究还应加强对复合膜在长期使用和复杂环境中的耐久性和稳定性等方面的研究，以进一步提高其应用价值和推广能力。除了表面疏水性，研究人员也开始对表面亲水性进行研究，希望开发出具有超级润湿性的表面。相比于疏水性复合膜，超级润湿性表面具有更广泛的应用前景，可以用于微型流体电子器件、生物医学和环境监测等领域。

为了制备超级润湿性表面，研究人员通常采用分层交互组装等技术，利用不同材料的差异性质构造出高度有序的表面结构。例如，锌氧化物-氧化铝分层纳米管的制备可以产生同时具有疏水性和亲水性的超级润湿性表面。不仅如此，金属-有机框架材料、高分子表面接枝等也被用于制备具有超级润湿性的表面。

然而，与表面疏水性相比，制备超级润湿性表面的方法仍处于发展初期，需要进一步研究和改进，以满足实际应用需求。

综上所述，表面处理技术在材料科学和工程中有着重要的应用和研究价值。表面疏水性复合膜和超级润湿性表面都展示了非常有用的应用前景，未来的研究将在制备方法、性能优化和实际应用等方面开展深入研究，并与其他领域的科学技术相结合，为各行业提供更好的解决方案。除了表面处理技术的科学研究外，它们还被广泛应用于工业制造和实际生产中。例如，在航空航天领域中，表面处理技术可以用于制造轻量化材料的表面涂层，提高其耐磨性和抗腐蚀性，从而延长材料的使用寿命。在光电领域中，表面处理技术可以被用于制备光电子器件的外壳，提高其耐光性和光导性，从而提高器件的效率和稳定性。在超导材料制备中，表面处理技术可以控制微观结构，从而改善超导材料的电性能。

另一方面，表面处理技术在医学领域中也有广泛的应用。例如，将表面处理技术应用于制备医用材料，可以提高材料的生物相容性，减少对人体的免