CN103204457A - 一种铝合金仿生超疏水表面的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属材料表面改性技术，特别是涉及铝合金基体上仿生超疏水表面的制备方法，目的在于提高铝合金表面的疏水性能。该方法首先以无水乙醇清洗铝合金为前处理工艺。然后在铝合金表面进行激光加工，在试样表面加工出无数微尺度的弹坑状结构。再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，同时表面含有不同于基体的化学元素物质，并且在铝合金表面形成微纳米尺度双层分级结构。反应完成后，将经过化学刻蚀后的铝合金试样放入含有DTS的甲苯溶液中进行修饰，在其表面逐渐形成低表面能的薄膜，使具有微纳米双层分级结构的铝合金表面具有典型生物超疏水性，并具有典型花瓣效应的粘附性。

Description

一种铝合金仿生超疏水表面的制备方法

技术领域：

本发明涉及金属材料表面改性技术，特别是涉及铝合金基体上仿生超疏水表面的制备方法。

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，形成了天然合理的超疏水性结构。荷叶、玫瑰花瓣和万寿菊等天然生物表面的微纳米尺度双层分级结构和化学成分，展现了优异的超疏水性，也赋予了它们自洁性和高粘附性，这就是著名的“荷叶效应”和“花瓣效应”的典型现象。因此，在工程材料设计和制造方面，这些自然的表面结构常常被用作模拟结构。

近年来，金属材料疏水性薄膜的制备得到越来越多的关注。铝合金因其具有低密度，优良的导热和导电性，高比强度和优良的铸造性，可回收等优异特性，而成为重要的结构材料，在航空航天、汽车工业、建筑和铁路等领域中已得到广泛应用。对于改善铝合金表面性能，制备具有微纳米尺度双层分级结构的超疏水性表面将是一个有前途的技术研究。

仿生超疏水表面的制备方法很多，目前国内外普遍有化学蚀刻法，模板法，电化学法，光刻法，溶胶-凝胶法，层层自组装法等。化学蚀刻法是通过将样品浸泡在刻蚀剂中使样品表面形成凹坑状结构。而激光加工法可在样品表面形成高度统一的微尺度弹坑状结构，应用的较少。针对在铝合金基体上制备微纳米尺度双层分级结构超疏水表面，改善铝合金表面性能，实现表面高粘附的问题，是一种新的尝试，对这种表面处理技术的新工艺、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表面的疏水性，提供一种铝合金基体上仿生超疏水表面的制备方法。

本发明是仿照荷叶、玫瑰花和万寿菊等植物叶片超疏水性微观结构的特征，采用激光加工和化学刻蚀结合的技术手段，并通过在修饰液中进行表面修饰，在铝合金表面制备具有荷叶、玫瑰花、和万寿菊叶片和花瓣表面的微纳米尺度双层分级结构的仿生超疏水表面，其提高铝合金表面的疏水性和粘附性等，使其得到广泛的应用。

为了达到上述目的，本发明的设计法案为：

首先以无水乙醇清洗铝合金为前处理工艺。然后在铝合金表面进行激光加工，在试样表面加工出无数微尺度的弹坑状结构。再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，使表面含有不同于基体的化学元素物质，并且在铝合金表面形成微纳米尺度双层分级结构。反应完成后，将经过化学刻蚀后的铝合金试样放入含有DTS的甲苯溶液中进行修饰，在其表面逐渐形成低表面能的薄膜，从而在表面结构与表面材料共同作用下具有典型生物超疏水性，且具有花瓣效应的粘附性。

一种铝合金基体上仿生超疏水表面的制备方法，其特征在于：

步骤一，该方法首先以无水乙醇清洗铝合金为前处理工艺；

步骤二，然后在铝合金表面进行激光加工，在试样表面加工出无数微尺度的弹坑状结构；

步骤三，再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，同时表面含有不同于基体的化学元素物质，并且在铝合金表面形成微纳米尺度双层分级结构；

步骤四，反应完成后，将经过化学刻蚀后的铝合金试样放入含有DTS的甲苯溶液中进行修饰，在其表面逐渐形成低表面能的薄膜，使具有微纳米双层分级结构的铝合金表面具有典型生物超疏水性，并具有典型花瓣效应的粘附性。

步骤二所说的激光加工，其工艺为在铝合金表面上加工出无数直径为大约50μm的弹坑状小孔结构，在不同的表面上分别加工不同间距的弹坑，相邻弹坑状小孔中心的加工间距分别为60μm～250μm。加工间距的不同，会影响表面弹坑状小孔的数量，具有不同的微观结构。

步骤三所说的化学刻蚀溶液，其主要组成是三水硝酸铜Cu（NO₃）_2·3H₂O加入到质量浓度为5%的硝酸溶液HNO₃中配成4mmol/L的硝酸铜溶液Cu（NO₃）₂；硝酸和硝酸铜混合液浓度的不同，会影响试样表面的形貌特征和生成新物质的质量，此浓度为化学刻蚀溶液的最优浓度，刻蚀温度为：80℃。

步骤三所说的化学刻蚀，选择不同样品进行一次性刻蚀，刻蚀时间分别为20s～90s；铝合金试样浸入时间的不同，会影响试样表面的形貌特征和生成新物质的质量。

步骤三所说的微纳米尺度双层分级结构的形成：第一层是在铝合金表面进行激光加工出无数微尺度的弹坑状结构，第二层是激光加工的铝合金表面在化学刻蚀溶液中发生化学置换反应，在铝合金试样微米级弹坑状结构的表面上再形成纳米级的网状多孔结构。

步骤四所说的DTS甲苯溶液，其成分为含有600μLDTS的40mL的甲苯溶液，修饰温度为室温，时间为1h，在铝合金表面形成地表面能薄膜。

步骤四中的典型生物超疏水表面特征，包括荷叶、玫瑰花瓣和万寿菊等植物叶表的微纳米尺度双层分级结构。

有益效果：这种铝合金基体上仿生超疏水表面具有微纳米尺度双层分级结构，其接触角大于150°，达到超疏水。与基体产生良好的结合，在使用工况下，疏水性能增强，并且实现

表面的高粘附性，与简单的化学刻蚀相比，该发明有明显进步。

附图说明：

图1为刻蚀后激光加工表面的SEM图，其中：

图1（a）刻蚀时间为20s；

图1（b）刻蚀时间为40s；

图1（c）刻蚀时间为60s；

图1（d）刻蚀时间为90s。

图2为激光加工和两步法制备的表面的SEM图，其中：

图2（a）激光加工距离为60μm；

图2（b）激光加工距离为100μm；

图2（C）激光加工距离为140μm;

图2（d）激光加工距离为60μm并且刻蚀60s；

图2（e）激光加工距离为100μm并且刻蚀60s；

图2（f）激光加工距离为140μm并且刻蚀60s。

图3为激光加工不同尺寸并刻蚀以及DTS修饰后的样品表面的接触角，其中：

激光加工尺寸由左向右依次分别为0，60，100，140，190，250μm。

具体实施方式：

以下进一步说明本发明的具体内容及其实施方式。

本发明所述的一种铝合金仿生超疏水表面的制备方法，首先，进行铝合金基体仿生表面的设计：

以天然生物材料为设计蓝本，在铝合金基体上设计天然生物复合材料微细结构分布的结构特征的表面。

以铝合金基体进行仿生超疏水性表面的设计：

铝合金因其具有低密度，优良的导热和导电性，高比强度和优良的铸造性等优势在现代工业中具有广阔的应用前景，但因其金属表面疏水性差很大程度上制约了其在工业上的应用。本发明可以改善铝合金表面疏水性，实现高粘附性。

以铝合金材料为基体，进行激光加工与化学刻蚀相结合的方法进行表面处理，将预处理后的铝合金试样进行激光加工，相邻凹坑中心点的加工间距为60-250μm。将激光加工后的铝合金试样浸入到化学刻蚀溶液中，主要组成是三水硝酸铜Cu（NO₃）_2·3H₂O加入到质量浓度为5%的硝酸溶液HNO₃中配成4mmol/L的硝酸铜溶液Cu（NO₃）₂，浸入时间为20-90s，进行化学反应。将化学刻蚀后的铝合金试样浸入修饰液中，修饰液为含有600μLDTS的40mL的甲苯溶液，浸入时间为1h，在铝合金表面形成低表面能的薄膜。由于铝合金表面形成了仿生微纳米尺度双层分级结构，并且在其表面修饰了低表面能薄膜，使得铝合金表面具有了典型生物超疏水性，并具有典型花瓣效应的粘附性。

所说的激光加工，其工艺为在铝合金表面上加工出无数直径为大约50μm的弹坑状小孔结构，在不同的表面上分别加工不同间距的弹坑，相邻弹坑状小孔中心的加工间距分别为60μm～250μm。加工间距的不同，会影响表面弹坑状小孔的数量，具有不同的微观结构。

所说的化学刻蚀溶液，其主要组成是三水硝酸铜Cu（NO₃）_2·3H₂O加入到质量浓度为5%的硝酸溶液HNO₃中配成4mmol/L的硝酸铜溶液Cu（NO₃）₂；硝酸和硝酸铜混合液浓度的不同，会影响试样表面的形貌特征和生成新物质的质量，此浓度为化学刻蚀溶液的最优浓度，刻蚀温度为：80℃。

所说的化学刻蚀，选择不同样品进行一次性刻蚀，刻蚀时间分别为20s～90s；铝合金试样浸入时间的不同，会影响试样表面的形貌特征和生成新物质的质量。

所说的微纳米尺度双层分级结构的形成：第一层是在铝合金表面进行激光加工出无数微尺度的弹坑状结构，第二层是激光加工的铝合金表面在化学刻蚀溶液中发生化学置换反应，在铝合金试样微米级弹坑状结构的表面上再形成纳米级的网状多孔结构。

所说的DTS甲苯溶液，其成分为含有600μLDTS的40mL的甲苯溶液，修饰温度为室温，时间为1h，在铝合金表面形成地表面能薄膜。

所说的典型生物超疏水表面特征，包括荷叶、玫瑰花瓣和万寿菊等植物叶表的微纳米尺度双层分级结构。

铝合金基体上仿生超疏水表面的制备方法按以下步骤进行：

1、揭示典型生物疏水表面其微观结构和分布特征规律。

2、对铝合金试样进行预处理：将铝合金试样置于无水乙醇溶液中进行超声波清洗10min，除去试样表面的污垢。

3、激光加工：将预处理后的铝合金试样进行激光加工，在铝合金表面加工出无数直径为大约50μm的弹坑状小孔结构，在不同的表面上分别加工不同间距的弹坑，相邻弹坑状小孔中心的加工间距分别为60μm～250μm。

4、化学刻蚀：将激光加工后的率合金试样浸入到化学刻蚀溶液中，主要组成是三水硝酸铜Cu（NO₃）_2·3H₂O加入到质量浓度为5%的硝酸溶液HNO₃中配成4mmol/L的硝酸铜溶液Cu（NO₃）₂，温度为：80℃，不同样品进行一次性刻蚀，刻蚀时间分别为20s～90s，在激光加工的铝合金表面进行化学置换反应。在铝合金试样微米级弹坑状结构的表面形成纳米级的网状多孔结构，也就是在铝合金基体上形成微纳米尺度双层分级结构表面。

5、仿生超疏水表面的制备：将化学刻蚀后的铝合金试样浸入到修饰液中，其成分为含有600μLDTS的40mL的甲苯溶液浸入时间为1h。在铝合金表面形成低表面能薄膜，使具有微纳米尺度双层分级结构的铝合金表面具有典型生物超疏水性。

Claims (7)

1.一种铝合金基体上仿生超疏水表面的制备方法，其特征在于：

步骤一，该方法首先以无水乙醇清洗铝合金为前处理工艺；

步骤二，然后在铝合金表面进行激光加工，在试样表面加工出无数微尺度的弹坑状结构；

步骤三，再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，同时表面含有不同于基体的化学元素物质，并且在铝合金表面形成微纳米尺度双层分级结构；

步骤四，反应完成后，将经过化学刻蚀后的铝合金试样放入含有DTS的甲苯溶液中进行修饰，在其表面逐渐形成低表面能的薄膜，使具有微纳米双层分级结构的铝合金表面具有典型生物超疏水性，并具有典型花瓣效应的粘附性。

2.根据权利要求1所述的一种铝合金基体上仿生超疏水表面的制备方法，其特征在于：

步骤二所说的激光加工，其工艺为在铝合金表面上加工出无数直径为大约50μm的弹坑状小孔结构，在不同的表面上分别加工不同间距的弹坑，相邻弹坑状小孔中心的加工间距分别为60μm～250μm，加工间距的不同，会影响表面弹坑状小孔的数量，具有不同的微观结构。

3.根据权利要求1所述的一种铝合金基体上仿生超疏水表面的制备方法，其特征在于：

步骤三所说的化学刻蚀溶液，其主要组成是三水硝酸铜Cu（NO₃）_2·3H₂O加入到质量浓度为5%的硝酸溶液HNO₃中配成4mmol/L的硝酸铜溶液Cu（NO₃）₂；硝酸和硝酸铜混合液浓度的不同，会影响试样表面的形貌特征和生成新物质的质量，此浓度为化学刻蚀溶液的最优浓度，刻蚀温度为：80℃。

4.根据权利要求1或3所述的一种铝合金基体上仿生超疏水表面的制备方法，其特征在于：

步骤三所说的化学刻蚀，选择不同样品进行一次性刻蚀，刻蚀时间分别为20s～90s；铝合金试样浸入时间的不同，会影响试样表面的形貌特征和生成新物质的质量。

5.根据权利要求1所述的铝合金基体上仿生超疏水表面的制备方法，其特征在于：

步骤三所说的微纳米尺度双层分级结构的形成：第一层是在铝合金表面进行激光加工出无数微尺度的弹坑状结构，第二层是激光加工的铝合金表面在化学刻蚀溶液中发生化学置换反应，在铝合金试样微米级弹坑状结构的表面上再形成纳米级的网状多孔结构。

6.根据权利要求1所述的一种铝合金基体上仿生超疏水表面的制备方法，其特征在于：

步骤四所说的DTS甲苯溶液，其成分为含有600μLDTS的40mL的甲苯溶液，修饰温度为室温，时间为1h，在铝合金表面形成地表面能薄膜。

7.根据权利要求1所述的一种铝合金基体上仿生超疏水表面的制备方法，其特征在于：

步骤四中的典型生物超疏水表面特征，包括荷叶、玫瑰花瓣和万寿菊等植物叶表的微纳米尺度双层分级结构。

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