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织构化PTFE/CF耐磨疏水复合涂层的制备与表征

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聚四氟乙烯（PTFE）具有优良的自润滑性能、优异的高低温稳定性和固有的低表面能，近几年被广泛应用于制造仿生超疏水表面。课题组前期已获得耐磨性和疏水性都比较优异的20%CF/PTFE复合涂层。在本研究中，制备了质量分数为10%、20%、30%的PTFE/CF复合涂层，然后利用紫外激光技术在3种涂层以及纯PTFE涂层表面进行微加工，并分别获得直径100μm间距50μm、直径200μm间距100μm、直径300μm 间距200μm的共计12种不同的凹坑型织构化复合涂层，以期获得具有良好摩擦学性能和优异疏水性能的表面。用FTA科研型悬滴法接触角仪测量了复合涂层的静态接触角；利用MS-T3001球盘摩擦磨损试验机对复合涂层进行摩擦磨损实验；用扫描电子显微镜（SEM）和激光扫描共聚焦显微镜观测涂层的表面形貌，并对其疏水性及磨损机理进行了一些探索。
实验结果表明，凹坑直径100μm间距50μm的30%CF/PTFE的凹坑型织构化复合涂层的WCA增加到125.72°，具有良好的疏水性能。疏水角增大的原因一是表面织构改变了涂层表面形貌，增加了表面粗糙度，并且织构的直径越小，疏水效果越好。二是在涂层表面的区域有大量的F元素聚集，导致了涂层的表面能降低。
此外，织构化CF/PTFE涂层也表现出了良好的摩擦学性能，摩擦系数相对于纯PTFE涂层有较小的上升，磨损显著减小。其中直径300μm间距200μm的30%CF/PTFE的摩擦系数为0.1732，磨痕深度为25.36μm，宽度为0.783μm，在所有涂层中摩擦系数仅高于纯PTFE涂层，磨损量是所有涂层中最小的。复合涂层的磨损机理主要是磨料磨损和黏着磨损，首先高比强度，高耐磨的碳纤维（CF）在PTFE涂层内起到支撑作用，分散应力，承担了大部分载荷，减少了PTFE涂层的磨损。其次凹坑型织构可以起到储存磨屑的作用，可以有效减少PTFE涂层的黏着磨损。而表面织构造成的涂层表面粗糙度的增加则会引起摩擦系数的增加。