通过定向大气金属等离子体射流，实现超亲水性Ti/TiO?涂层的瞬时沉积，该涂层具有多尺度纳米颗粒堆叠结构

《Surface and Coatings Technology》：Instantaneous deposition of super-hydrophilic Ti/TiO x coating with multiscale-nanoparticle stacked structure via directionally atmospheric metal plasma jet

金属氧化物超亲水涂层通过电爆炸法快速制备，利用脉冲电流驱动金属丝电爆炸产生高速等离子体射流（~km/s），在硅基底上形成TiO?纳米网络结构（350 nm厚度）。表面粗糙度从119 nm增至181 nm，接触角降低至1.85°±1.09°，经24小时暴露仍保持超亲水性（接触角<10°）。该方法扩展至Al/AlO?涂层，接触角范围3.16°-5.94°。实验采用XPS、SEM、EDS等表征手段，验证了Ti-O和Ti-OH表面氧化态的存在，揭示了电爆炸过程中“自上而下”原子化与“自下而上”纳米自组装的协同机制。

　　在现代工业与科技发展的背景下，表面功能化技术已成为提升材料性能的重要手段。特别是在需要控制表面润湿性的应用中，如自清洁、防雾、抗菌等领域，超亲水材料的开发备受关注。这类材料不仅能够有效降低水接触角，还能够在复杂环境中保持其功能特性，从而拓展其在生物医学、化学工程等领域的应用前景。本文介绍了一种利用电爆炸技术快速高效地制备金属氧化物超亲水涂层的新方法，该方法在工业应用中展现出显著的优势。

电爆炸技术是一种基于脉冲电流的快速加热与冷却过程，能够使金属丝在极短时间内达到数万摄氏度的高温，并迅速冷却形成纳米颗粒或涂层。这一过程通常在微秒尺度内完成，其特点是热传导率高、反应速度快，能够实现材料的高效加工。与传统的湿法或干法表面改性技术相比，电爆炸技术不仅减少了制备时间，还避免了复杂环境条件和化学试剂的使用，从而降低了对环境的影响和成本。此外，该技术还能够在不破坏基底材料的情况下，形成均匀且稳定的涂层，这对于需要高精度加工的材料尤其重要。

在本研究中，我们选择硅基板作为实验对象，通过电爆炸技术在其表面沉积钛氧化物（TiO?）涂层。实验过程中，金属丝被固定在电极之间，通过脉冲电容器释放的高能量电流，金属丝在极短时间内被加热至数千摄氏度，进而蒸发、电离并形成高密度等离子体。这些等离子体通过喷嘴结构被引导，以高速（约数千米每秒）喷射到硅基板表面，从而形成纳米结构的涂层。在这一过程中，金属丝的加热速率可以达到每秒101?至1011开尔文，而冷却速率同样较快，有助于形成均匀且具有特定形貌的纳米颗粒网络。

值得注意的是，电爆炸过程中生成的纳米颗粒网络在硅基板表面形成了显著的三维结构，其高度可达350纳米。这种纳米结构的形成不仅增加了表面粗糙度，还显著降低了水接触角。实验数据显示，表面粗糙度从119纳米增加到181纳米，而水接触角则从4.37±0.86度降低到1.85±1.09度，表明该涂层具有优异的超亲水性能。进一步的XPS分析结果表明，涂层表面的钛元素主要以Ti-O和Ti-OH的形式存在，这说明了钛在氧化过程中形成了丰富的表面官能团，有助于增强其与水分子之间的相互作用。

除了TiO?涂层，实验还验证了该方法在制备铝氧化物（AlO?）涂层方面的可行性。在相同的实验条件下，AlO?涂层表现出的水接触角范围为5.94±0.43度至3.16±0.17度，显示出该技术在不同金属氧化物材料上的广泛适用性。这一结果表明，电爆炸技术不仅适用于钛，还可以灵活地应用于其他金属，从而实现多种功能材料的表面改性。

在实际应用中，超亲水材料的稳定性是一个重要的考量因素。为了评估所制备涂层的功能持久性，我们进行了24小时的环境暴露测试。测试结果表明，即使在长时间的环境暴露后，涂层仍然能够保持其超亲水特性，即水接触角低于10度。这一性能的稳定性对于工业应用至关重要，因为许多应用场景需要材料在复杂环境下长时间保持其功能。

从材料科学的角度来看，超亲水材料的表面结构是其功能表现的关键。表面粗糙度的增加可以显著影响液体在材料表面的铺展行为。根据Wenzel模型，表面粗糙度的增加会放大材料的润湿性，即水接触角的降低。在本研究中，通过电爆炸技术形成的纳米颗粒网络不仅提高了表面粗糙度，还通过其独特的三维结构增强了材料的超亲水性能。这种结构的形成机制涉及到等离子体的快速生成、金属丝的瞬间蒸发和冷却，以及纳米颗粒的沉积过程。

此外，电爆炸技术在制备超亲水材料方面的优势不仅体现在其高效性上，还在于其可控性。通过调节放电能量，可以精确控制纳米颗粒的尺寸和分布，从而实现对涂层表面结构的优化。例如，在较低放电能量下，涂层表面较为平坦，而在较高放电能量下，纳米颗粒网络更为密集，表面粗糙度显著增加，进而导致水接触角的大幅下降。这种可控性使得电爆炸技术成为一种灵活且高效的表面改性方法。

在实验设计方面，我们采用了一种基于脉冲电容器的放电系统，通过调节放电能量来实现对涂层性能的调控。整个系统包括一个固定的聚碳酸酯圆柱形喷嘴，用于引导等离子体的喷射方向。金属丝被放置在喷嘴与基底材料之间，当放电发生时，金属丝迅速被加热、蒸发并形成等离子体，随后在高速喷射过程中与基底材料发生相互作用，最终沉积形成纳米结构的涂层。通过这一过程，我们不仅实现了对涂层形貌的精确控制，还获得了稳定的超亲水性能。

为了进一步理解电爆炸过程对涂层性能的影响，我们对整个实验过程进行了详细的物理和化学分析。通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）等技术，我们观察到了涂层表面的微观形貌，并确认了其主要成分。X射线衍射（XRD）分析则用于研究涂层的晶体结构，而X射线光电子能谱（XPS）则提供了涂层表面化学状态的详细信息。这些分析手段共同揭示了电爆炸过程中金属氧化物涂层的形成机制及其与表面润湿性之间的关系。

从实验结果来看，电爆炸技术在制备超亲水涂层方面具有显著的优势。其快速的加热和冷却过程使得纳米颗粒能够在短时间内形成，而喷嘴结构的引导则确保了等离子体的定向喷射，从而提高了涂层的均匀性和稳定性。此外，该技术能够在不使用复杂真空系统的情况下完成，使其在实际工业应用中更加便捷和经济。这种“干法”处理方式避免了传统湿法技术中对化学试剂和复杂工艺流程的依赖，从而降低了生产成本和环境影响。

在实际应用中，超亲水材料的性能不仅取决于其表面结构，还受到材料本身性质的影响。例如，钛和铝作为常见的金属材料，其氧化物具有不同的物理和化学特性。钛氧化物（TiO?）在光照条件下能够表现出优异的光催化性能，而铝氧化物（AlO?）则具有良好的导电性和热稳定性。因此，通过电爆炸技术制备的这两种材料涂层，在不同应用场景下均展现出独特的性能优势。

本研究还探讨了电爆炸技术在其他材料上的潜在应用。例如，对于某些特殊材料，如石墨和Bi?Se?，电爆炸过程中形成的微观结构更加复杂，这为开发具有更丰富功能特性的材料提供了新的思路。通过调整实验参数，如放电能量、金属丝的种类和直径，以及喷嘴的结构设计，可以进一步优化涂层的性能，以满足不同应用需求。

综上所述，电爆炸技术为制备超亲水金属氧化物涂层提供了一种快速、高效且可控的方法。该技术不仅能够显著降低水接触角，还能保持涂层在长时间环境暴露后的功能稳定性。此外，其“干法”处理方式和对多种金属材料的适用性，使其在工业生产中具有广泛的应用前景。通过进一步的研究和优化，电爆炸技术有望成为表面功能化领域的重要工具，为开发新型高性能材料提供坚实的技术基础。