CN101962761A

CN101962761A - 镁合金表面仿生疏水性涂层的制备方法

Info

Publication number: CN101962761A
Application number: CN 201010531596
Authority: CN
Inventors: 刘燕; 李亮; 卢国龙; 韩志武; 任露泉; 于思荣
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2010-11-04
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2030-11-04
Also published as: CN101962761B

Abstract

本发明涉及金属材料表面改性技术，特别是涉及镁合金表面仿生疏水涂层的制备方法。目的在于提高镀层的表面疏水性能，进而改善其耐蚀性。该方法首先以碱洗、酸洗为前处理工艺，然后将试样浸入化学刻蚀溶液中，使试样表面的形貌特征发生改变，并且使表面含有不同于基体的化学元素物质。反应完成后，将经过化学刻蚀后的镁合金试样放进以硫酸镍为主盐的化学镀液中，由于异构和异物的耦合作用，改变了化学镀液中金属阳离子的吸附沉积位置和分布，在沉积过程中，逐渐形成具有典型生物疏水表面特征的化学涂层。

Description

镁合金表面仿生疏水性涂层的制备方法

技术领域：

本发明涉及金属材料表面改性技术，特别是涉及镁合金表面耦合仿生疏水涂层的制备方法。

背景技术：

自然界大量的生物表面，经过亿万年的自然选择与进化，形成了天然合理的疏水性结构。荷叶、芦苇等天然生物表面的微结构十分精细，其疏水性能也远远优于普通的材料表面。荷叶表面的乳突状微观结构，使其疏水性能高于其它表面，这便是十分著名的“荷叶效应”。

镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料。近年来镁合金的产业化发展很快，它由于诸多优点而被冠以“时代金属”和“21世纪金属”的称号。镁合金具有比强度和比刚度高，电磁屏蔽性、降噪减振、切削加工性能好，可回收等优异特性，在航空航天、汽车工业和电子通讯等领域中已得到广泛应用。但是镁合金是极活泼的金属，在空气中极易氧化，生成疏松的氧化膜，这层氧化膜对基体不具保护作用，所以其耐蚀性差，制约了镁合金的使用。因此，对镁合金表面进行表面改性，改善镁合金的表面性能，提高其耐腐蚀性，具有重要意义。

为了提高镁合金的耐蚀性，防止其腐蚀最有效、最简便的方法是对其进行表面涂层处理，利用涂层在基体和外界环境之间形成的屏障，抑制和缓解镁合金材料的腐蚀。为了确保涂层能起到良好的保护作用，要求涂层本身必须均匀致密，且与基体结合良好。目前，国内外普遍采用的表面涂层主要包括镁合金表面的电镀、化学镀、转化膜、阳极氧化、氢化膜、有机涂层、气相沉积层等。其中最为简单有效的方法就是通过化学沉积方法在镁合金基体表面镀一层所需性能的金属或合金，即化学镀。针对镁合金表面耐蚀性差的问题，从疏水性着手，进而改善其耐蚀性，是一种新的尝试，对这种表面处理技术新工艺、新原料的设计，其意义重大。

发明内容：

本发明的目的在于提高镀层的表面疏水性能，进而改善其耐蚀性，提供一种镁合金表面耦合仿生疏水涂层的制备方法。

本发明是仿照荷叶、芦苇等植物叶片疏水性微观结构的特征，采用化学刻蚀的技术手段，利用形成的多孔结构和生成的新化学物质，改变化学镀液中金属阳离子的吸附沉积位置和分布，在沉积过程中，逐渐形成具有类荷叶叶片微观结构的仿生疏水涂层，其提高镁合金表面的疏水性和耐腐蚀性等，使其得到广泛的应用。

为了实现上述目的，本发明的设计方案是：

首先以碱洗、酸洗为前处理工艺，然后将试样浸入化学刻蚀溶液中，使试样表面的形貌特征发生改变，并且使表面含有不同于基体的化学元素物质。反应完成后，将经过化学刻蚀后的镁合金试样放进以硫酸镍为主盐的化学镀液中，由于异构和异物的耦合作用，改变了化学镀液中金属阳离子的吸附沉积位置和分布，在沉积过程中，逐渐形成具有典型生物疏水表面特征的化学涂层。

所说的化学刻蚀溶液，其主要组成是低浓度的硝酸盐溶液AgNO₃，其浓度大小为10-50mmol/l；硝酸盐浓度的不同，会对试样表面的形貌特征和生成新物质的数量产生影响。

所说的化学刻蚀工序，其浸入时间为10-60s；镁合金试样浸入时间的不同，会对试样表面的形貌特征和生成新物质的数量产生影响。

所说的异构和异物的形成，其主要由于在刻蚀溶液中发生化学置换反应，镁合金试样表面形成较多的多孔结构，并且溶液中的金属阳离子被还原，附着在试样表面上。

所说的镀液可选取化学镀镍液，其组成是：NiSO₄·6H₂O：20～25g/l；NaH₂PO₂·H₂O：13～15ml/l；HF(40％)12～16ml/l；C₆H₈O₇：2.5～5g/l；NH₄HF₂：10～12g/l；N₂H₄CS：1.0～1.5mg/l；以十二烷基硫酸钠为润湿剂：0.05～0.10g/l；工艺参数为温度：80～85℃；镀液PH值：4.1～4.5。

所说的典型生物疏水表面特征，其主要是荷花、芦苇等植物叶表的微观乳突状结构。

镁合金表面耦合仿生疏水涂层的制备方法按一下步骤进行：

1、揭示典型生物疏水表面其微观结构和分布特征规律。

2、对镁合金试样进行预处理：

(1)碱洗：将镁合金试样置于水浴加热的碱洗溶液中浸泡清洗，除去试样表面的油垢；

(2)酸洗：在室温下将碱洗后的镁合金试样置于酸洗溶液中浸泡，除去试样表面的氧化物和其它金属污垢；

3、化学刻蚀：将预处理后的镁合金试样浸入到化学刻蚀溶液中，主要组成是低浓度的硝酸盐溶液AgNO₃，其浓度大小为10-50mmol/l，浸入时间为10-60s，进行化学置换反应。

4、仿生疏水涂层的制备：将化学刻蚀后的镁合金试样浸入到化学镀液中，浸入时间为40-60分钟。由于试样表面形貌特征的改变，并且含有不同于基体元素的化学物质，改变了化学镀液中金属阳离子的吸附沉积位置和分布，在沉积过程中，逐渐形成具有典型生物疏水表面特征的化学涂层。

本发明的技术效果：这种镁合金表面耦合仿生疏水涂层的接触角可达105°-130°。与基体产生良好的结合，在使用工况下，疏水性能增强，减少了镁合金试样与水的接触面积，提高了涂层的耐腐蚀性。与简单的化学镀层相比，该发明有明显进步。

附图说明：

图1镁合金表面仿生疏水涂层的疏水性能测量。

图2化学刻蚀处理后镁合金表面多孔结构的微观形貌。

图3化学刻蚀处理后镁合金表面置换物的微观形貌。

图4未经化学刻蚀处理的镁合金化学涂层的微观形貌。

图5硝酸盐溶液AgNO₃浓度为30mmol/l和浸入时间为20s的化学刻蚀，镁合金表面仿生疏水涂层的微观形貌。

图6硝酸盐溶液AgNO₃浓度为10mmol/l和浸入时间为60s的化学刻蚀，镁合金表面仿生疏水涂层的微观形貌。

图7硝酸盐溶液AgNO₃浓度为50mmol/l和浸入时间为10s的化学刻蚀，镁合金表面仿生疏水涂层的微观形貌。

图8不同反应条件下，涂层表面润湿性能的变化曲线。

具体实施方式：

以下结合实现本发明技术方案的实例进一步说明本发明的具体内容。

镁合金表面仿生疏水性涂层的制备方法，按以下具体步骤进行：

步骤一，对镁合金试样进行预处理：首先，将镁合金试样置于水浴加热的碱洗溶液中浸泡并采用超声波振荡清洗，除去试样表面的油垢，其中，清洗时间为40分钟，碱洗液的成分是：NaOH：45g/l，Na₃PO₄·12H₂O：10g/l；然后，在室温下将碱洗后的镁合金试样置于酸洗溶液中浸泡，除去试样表面的氧化物和其它金属污垢，其中，浸泡时间为30～60s，酸洗液的成分是：CrO₃：125g/L，HNO₃：110ml/l；

步骤二，化学刻蚀：将经预处理后的镁合金试样浸入化学刻蚀溶液中，使试样表面的形貌特征发生改变，并且使表面含有不同于基体的化学元素物质，化学刻蚀溶液主要组成是低浓度的硝酸盐溶液AgNO₃，其AgNO₃浓度为10-50mmol/l，浸入时间为10-60s，进行化学置换反应，待化学刻蚀完成后，用大量蒸馏水对试样表面进行清洗，除去多余置换物；

步骤三，仿生疏水涂层的制备：将化学刻蚀后的镁合金试样浸入到以硫酸镍为主盐的化学镀液中，在沉积过程中，逐渐形成具有典型生物疏水表面特征的化学涂层，其组成是：NiSO₄·6H₂O：20～25g/l；40％的HF：12～16ml/l；C₆H₈O₇：2.5～5g/l；NaH₂PO₂·H₂O：NH₄HF₂：10～12g/l；N₂H₄CS：1.0～1.5mg/l；以十二烷基硫酸钠为润湿剂：0.05～0.10g/l；工艺参数为：温度80～85℃；镀液PH值4.1～4.5；浸入时间为40-60分钟。

制备结束后，用蒸馏水对试样表面进行清洗，除去残留在表面的化学镀液后，置于恒温箱内除去表面水分，得到致密的、均匀的、具有典型生物疏水表面特征的仿生疏水涂层，并且疏水性能显著提高。

实施例1：

以镁合金AZ91D为研究对象，将镁合金加工成10mm×10mm×5mm的试样，分别用1000^#、1500^#和2000^#金相砂纸对试样表面进行打磨，再用1.5^#金刚石研磨膏对试样表面进行抛光处理。

将镁合金试样置于水浴温度为60℃的碱洗溶液中浸泡并采用超声波振荡清洗，除去试样表面的油垢，其中，清洗时间为40分钟，碱洗液的成分是：NaOH：45g/l，Na₃PO₄·12H₂O：10g/l；然后，在室温下将碱洗后的镁合金试样置于酸洗溶液中浸泡，除去试样表面的氧化物和其它金属污垢，其中，浸泡时间为30～60s，酸洗液的成分是：CrO₃：125g/L，HNO₃：110ml/l。

将经预处理后的镁合金试样浸入化学刻蚀溶液中，使试样表面的形貌特征发生改变，并且使表面含有不同于基体的化学元素物质，化学刻蚀溶液主要组成是低浓度的硝酸盐溶液AgNO₃，其AgNO₃浓度为30mmol/l，浸入时间为40s，进行化学置换反应，待化学刻蚀完成后，用大量蒸馏水对试样表面进行清洗，除去多余置换物。

将化学刻蚀后的镁合金试样浸入到以硫酸镍为主盐的化学镀液中，在沉积过程中，逐渐形成具有典型生物疏水表面特征的化学涂层，其组成是：NiSO₄·6H₂O：20～25g/l；40％的HF：12～16ml/l；C₆H₈O₇：2.5～5g/l；NaH₂PO₂·H₂O：NH₄HF₂：10～12g/l；N₂H₄CS：1.0～1.5mg/l；以十二烷基硫酸钠为润湿剂：0.05～0.10g/l；工艺参数为：温度80～85℃；镀液PH值4.1～4.5；浸入时间为40-60分钟。

制备结束后，用蒸馏水对试样表面进行清洗，除去残留在表面的化学镀液后，置于恒温箱内除去表面水分。通过扫描电子显微镜和润湿角测量仪对试样进行观察测量，其结果表明，以浓度为30mmol/l的硝酸盐溶液AgNO₃刻蚀后，使试样表面的形貌特征发生改变，并且使表面含有不同于基体的化学元素物质(参阅图2、图3)，该特征下形成的化学涂层，与未经化学刻蚀的化学涂层相比较(参阅图4)，具有明显的、特殊的、典型生物疏水表面特征的仿生疏水涂层(参阅图5)，并且疏水性能显著提高(参阅图1、图8)。

其它实施例：

实施例2、实施例3除进行化学刻蚀的硝酸盐溶液AgNO₃浓度分别为10mmol/l和50mmol/l，浸泡时间分别为60s和10s以上参数改变外，采用与实施例1相同的工艺处理流程。通过扫描电子显微镜和润湿角测量仪对试样进行观察测量，其结果表明，试样在进行化学刻蚀时，由于硝酸盐溶液AgNO₃浓度的不同，其表面形成的仿生疏水涂层，表面特征存在显著差异(参阅图5、图6、图7)，并且，疏水性能也存在着明显的规律性变化(参阅图8)。

Claims

1.一种镁合金表面仿生疏水性涂层的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：

步骤一，对镁合金试样进行预处理：首先，将镁合金试样置于水浴加热的碱洗溶液中浸泡清洗，除去试样表面的油垢；然后，在室温下将碱洗后的镁合金试样置于酸洗溶液中浸泡，除去试样表面的氧化物和其它金属污垢；

步骤二，化学刻蚀：将经预处理后的镁合金试样浸入化学刻蚀溶液中，使试样表面的形貌特征发生改变，并且使表面含有不同于基体的化学元素物质，化学刻蚀溶液主要组成是低浓度的硝酸盐溶液AgNO₃，其浓度为10-50mmol/l，浸入时间为10-60s，进行化学置换反应；

步骤三，仿生疏水涂层的制备：将化学刻蚀后的镁合金试样浸入到以硫酸镍为主盐的化学镀液中，在沉积过程中，逐渐形成具有典型生物疏水表面特征的化学涂层，其组成是：NiSO₄·6H₂O：20～25g/l；NaH₂PO₂·H₂O：13～15ml/l；40％的HF：12～16ml/l；C₆H₈O₇：2.5～5g/l；NH₄HF₂：10～12g/l；N₂H₄CS：1.0～1.5mg/l；以十二烷基硫酸钠为润湿剂：0.05～0.10g/l；工艺参数为：温度80～85℃；镀液PH值4.1～4.5；浸入时间为40-60分钟。