摘 要

金属材料表面发生微生物腐蚀的原因是由于在海洋环境中微生物极易粘附到金属表面。超疏水表面因其自清洁、耐腐蚀、低摩擦、减阻和减少附着力而备受关注。超疏水表面的耐腐蚀性对海洋环境中金属材料的腐蚀防护非常重要。

通过研究自然界中动植物表面的超疏水现象发现，超疏水材料具备防腐蚀性能，本文以使用价格低、运用广的典型海洋工程材料Q235碳钢为基体材料,使用刻蚀的方法在其表面制备微结构表面,再用低表面能物质PFTEOS对粗糙为结构表面进行修饰,从而获得超疏水表面，并进一步探讨其耐腐蚀的性能。

分别利用扫描电子显微镜（SEM）观察样品的表面形貌、用酸性和碱性标准液来测试pH值对表面疏水性的影响、耐腐蚀性能用电化学工作站来检测。实验通过刻蚀法和低表面能物质修饰相结合的方法成功制备了接触角为161.6°的超疏水表面，经过PFTEOS改性后的粗糙表面在酸碱环境下均可保持良好的润湿性，与水的接触角可以维持在150°左右。电化学测试结果表明，所制备的超疏水表面具有良好的防腐蚀性能。

关键词：超疏水、刻蚀法、PFTEOS、防腐蚀

Abstract

The cause of microbial corrosion on the surface of metal materials is because microorganisms in the marine environment are very easy to adhere to the metal surface. Super-hydrophobic surfaces have received much attention becauseof their self-cleaning, corrosion resistance, low friction, drag reduction, and adhesion reduction. The corrosion resistance of superhydrophobic surfaces is very

important for the corrosion protection of metallic materials in the marine environment.

By studying the superhydrophobic phenomenon of the surface of animals and plants in nature, it is found that the superhydrophobic materials have anti-corrosion properties. In this paper, Q235 carbon steel, a typical marine engineering material with low cost andwide application, is used as the matrix material, and the surface is prepared by etching.Microstructured surface, and then use the low surface energy substance PFTEOS to modify the rough structured surface to obtain a superhydrophobic surface, and further exploreits corrosion resistance。

Scanning electron microscopy (SEM) was used to observe the surface morphology of the sample, acid and alkaline standard solutions were used to test the effect of pH on the surface hydrophobicity, and the corrosion resistance was tested by an electrochemical workstation. The experiment successfully prepared a superhydrophobic surface with a contact angle of 161.6 ° through a combination of etching and low surface energy substance modification. The rough surface modified by PFTEOS can maintain good wettability in acid and alkali environments. The contact angle with water can be maintained at around 150 °. The electrochemical test results show that the prepared superhydrophobic surface has good corrosion resistance.

Keywords: super-hydrophobic, etching, PFTEOS, corrosion protection

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 海洋环境下金属材料的腐蚀 1

1.3 海洋环境下金属材料腐蚀研究现状 2

1.4 金属腐蚀防护方法 3

1.5 论文的研究内容 4

第二章 超疏水表面基本理论 5

2.1 超疏水表面 5

2.1.1 超疏水表面的理论基础 5

2.1.2 超疏水表面的研究现状 7

2.2 超疏水表面的制备方法 7

2.2.1 电化学沉积法 8

2.2.2 水热合成法 8

2.2.3 溶胶-凝胶法 8

2.2.4 化学气相沉积法 9

2.2.5 化学刻蚀法 9

第三章 Q235碳钢超疏水表面制备及其耐腐蚀性能分析 10

3.1 前言 10

3.2 实验材料与仪器 10

3.2.1 材料与试剂 10

3.2.2 主要仪器设备 11

3.3 Q235碳钢超疏水表面制备 11

3.4 超疏水表面的表征 11

3.5 实验结果分析与讨论 12

3.5.1 表面与水的接触角 12

3.5.2 表面形貌分析 13

3.5.3 表面与水的粘附力测试分析 14

3.5.4 pH值对表面疏水性能的影响 15

3.5.5 超疏水表面耐酸蚀性能测试 16

3.5.6 电化学测试 16

3.6 超疏水表面的防腐蚀机理 18

第四章 结论 19

参考文献 20

致谢 23

绪论

研究背景

当今这个全球化的时代，我国的海洋经济发展实力和海洋科学工程技术水平正在稳步地发展和提升，海洋因其丰富的自然资源和重要的地理位置也日益受到了各个发达国家的高度关注，海洋大约已经占到了整个地球上海洋总面积的71%，其中贮藏的海洋资源更是不计其数，因此其海洋资源开发利用工作早已充分得到了相干国家和部门的高度重视。我国为加快开发海洋的进度，已经制订了具体而明确的开发大纲。在我国发布的发展规划等文件中进行全面安排，加快海洋平台及工程设备的全方面发展。研究海洋平台结构及其设备和船只防腐蚀的实际状况和应对方法，对于探索海洋资源的意义特别重大。

海水是良好的电解质环境，海洋工程装备在海洋环境中很容易发生腐蚀现象。金属材料表面发生腐蚀后，会对材料的氧含量、pH值、温度等性质发生改变，从而加剧腐蚀速率，最终导致海洋工程装备的损坏。生物诱导腐蚀会进一步加重海洋工程材料的腐蚀程度，从而改变腐蚀形态，发生剧烈的局部腐蚀破坏，严重损伤海洋材料表面的完整性，甚至使海洋工程材料失去工作性能^[1]。

据数据表明，海洋环境中金属材料的腐蚀给每个国家都造成了不可估量的损失。而目前发展海洋产业最困难的问题是船舶与海洋环境中金属材料的腐蚀，这些问题会导致我国损失每年GDP总数的5%，很多基础设施是由于腐蚀问题成为海洋材料设备损坏最主要的原因^[2]。利用科学有效的方法来降低海洋腐蚀导致的经济损失，是发展潜力很大的研究方向。

海洋环境下金属材料的腐蚀

海洋环境是腐蚀现象发生最严重的自然环境之一，海洋工程机械装备在各种海洋环境中受海水的流速、温度、含盐量、大气中的湿度、含氧量和海洋生物等多种海洋环境因素的影响，极易发生腐蚀^[3]。而海洋工程装备所用材料通常会发生电化学腐蚀，有时也会产生微生物腐蚀，这样便使海洋工程装备的使用寿命大大降低。每年微生物腐蚀造成的损失占海洋工程设备损失的20%^[4]。金属材料在海洋环境下的腐蚀可分为全面腐蚀和局部腐蚀。局部腐蚀具有沿材料纵深方向发展的特点，能够加速金属材料的失效，且不易于观察，对海洋工程装备的结构安全性和使用寿命的影响远大于全面腐蚀，所以是海洋腐蚀和防护研究的重难点。海洋工程装备通常是由多种金属材料所构成的，在同一电解质下，由于不同金属腐蚀电位的差异，容易造成接触部位的腐蚀，这便是电偶腐蚀。点蚀通常被认为是发生在同种金属上的局部电偶腐蚀，尤其是钝性金属。由于表面状态的不均匀性，表面有氧化膜的阴极会得到保护，而作为阳极的金属基体会被腐蚀。而缝隙腐蚀发生的主要原因是由于氧浓差导致的，缝隙内部与外部氧浓度差距较大。金属材料浸泡在海洋环境中表面会形成生物膜，生物膜内的微生物和金属基体发生大量的化学反应导致微生物腐蚀产生。

海洋环境下金属材料腐蚀研究现状

国外很多学者进行了大量的海洋环境下金属腐蚀的相关研究。1990 年，Sawant S. S.和Wagh A .B.^[5]报道了不同种类的金属在阿拉伯海从1987～1988年的一年腐蚀数据。结果表明：在相同的海洋环境条件下，不同金属的腐蚀现象大不相同。R.E.Melchers等和David A, Shifler等验证了在海洋环境中影响低合金钢和碳钢等材料寿命的因素主要为盐度、水温、碳酸盐含量、pH、地理环境，他们在此研究基础上提出了延长低合金碳钢和碳钢等材料寿命的腐蚀防护方法^[6]。微生物的腐蚀，最初是由Garrett在1891年提出的归于细菌代谢产物的铅电缆腐蚀^[7]。但真正引起科技界重视，是在1934年Wolyogen kunr等人提出的硫酸盐还原菌（SRB）参与金属腐蚀阴极去极化理论之后才开始的^[8]。很多沿海国家在这段时间之后纷纷建立了海洋腐蚀实验站，来进行海洋环境中海洋工程装备的腐蚀实验研究。脱硫弧菌被一些学者发现存在于海洋环境中使用的碳钢材料的腐蚀部位中，电化学测试和腐蚀产物分析的结果表明，该细菌可能是导致碳钢腐蚀的因素之一。