CN103317198B - 金属材料表面超疏水微纳结构的一步制备方法 - Google Patents

Abstract

金属材料表面超疏水微纳结构的一步制备方法属于材料表面技术领域，目的在于解决现有技术存在的制备工艺复杂、费用高、制备周期长和制备面积小的问题。包括以下步骤：使用有机溶剂对金属试样进行超声振动清洗，去除试样表面的油污；将经超声振动清洗得到的金属试样进行线切割处理：使用有机溶剂对经线切割得到的金属试样进行超声振动清洗，去除金属试样表面的油污和反应物；将金属试样置于恒温箱内烘干，得到具有超疏水微纳结构的金属材料表面。本发明利用线切割一步即可以完成加工，工艺过程简单、制备周期短；通过电极丝和金属之间的放电，直接在金属表面生成了微-纳米结构，降低了成本，电极丝长度可调，方便在金属表面大面积加工超疏水结构。

Description

金属材料表面超疏水微纳结构的一步制备方法

技术领域

本发明属于材料表面技术领域，涉及一种金属材料表面润湿性改良技术，具体涉及一种金属材料表面超疏水微纳结构的一步制备方法。

背景技术

疏水表面是指水滴在某一固体表面的接触角大于90度而小于150度，当水滴与固体表面的接触角大于150度时，此表面则被称为超疏水表面；超疏水表面由于具有防雪、防污染、脱附、减阻、防氧化和抗腐蚀等功能，被广泛应用于工农业生产以及人们的日常生活中。由于部分金属材料特殊的应用环境及领域，构建疏水或超疏水金属材料表面已成为研究界的一大热点。

现有技术中，通过电化学沉积、化学刻蚀、复合涂层法、可控氧化法、阳极氧化法等方法在金属表面构筑微-纳米阶层结构并辅助修饰低表面能物质，可以较为理想地实现超疏水性，但低表面能的氟化膜往往稳定性差、寿命短、可观赏性低，容易遭到破坏表面便失去了超疏水性，制造过程中工艺复杂、费用高、制备周期长及制备面积小；而在金属表面构筑规则微-纳米结构，虽然可以不通过修饰低表面能物质实现疏水性，但需要使用激光精细加工、纳米模板等技术，工艺复杂、成本较高、不适合大面积推广。

发明内容

本发明的目的在于提出一种金属材料表面超疏水微纳结构的一步制备方法，解决现有技术存在的制备工艺复杂、费用高、制备周期长和制备面积小的问题，实现金属表面超微纳结构的制备。

为实现上述目的，本发明的金属材料表面超疏水微纳结构的一步制备方法包括以下步骤：

步骤一：预处理，使用有机溶剂对金属试样进行超声振动清洗，去除试样表面的油污；

步骤二：将步骤一中经超声振动清洗得到的金属试样进行线切割处理：

1)将步骤一中得到的金属试样装卡到高速走丝电火花线切割机床上；

2)调整金属试样和电极丝的位置使电极丝位于程序开始加工的位置，并且电极丝与金属试样的加工表面保持平行；

3)将编写好的微观矩形波图案程序输入到高速走丝电火花线切割机床磁盘中，调整脉冲宽度、脉冲间距和脉冲电流至实验数值，打开切削液开关和高频脉冲开关，打开程序开始加工；

4)程序结束后移动电极丝，输入切断程序，将带有沟槽金属表面的加工试样从金属试样上切除；

步骤三：后处理，使用有机溶剂对步骤二中得到的带有沟槽金属表面的加工试样进行超声振动清洗，去除所述带有沟槽金属表面的加工试样表面的油污和反应物；

步骤四：将步骤三中得到的带有沟槽金属表面的加工试样置于恒温箱内烘干，得到具有超疏水微纳结构的金属材料表面。

步骤三中所述的实验数值具体指：电流的取值范围为0.3-3.4A，脉冲宽度的取值范围为4-50μs，脉冲间隔的取值范围为24-600μs。

步骤一中所述的使用有机溶剂对金属试样进行超声振动清洗具体为：

1)丙酮超声波清洗：将金属试样置于丙酮溶液中进行超声振动清洗，去除试样表面的油污；

2)无水乙醇超声波清洗：将金属试样置于无水乙醇溶液中进行超声振动清洗，去除试样表面的油污；

3)去离子水超声波清洗：将金属试样置于去离子水溶液中进行超声振动清洗，去除试样表面的油污。

步骤三中所述的使用有机溶剂对步骤二中得到的带有沟槽金属表面的加工试样进行超声振动清洗；具体为：

1)丙酮超声波清洗：将带有沟槽金属表面的加工试样置于丙酮溶液中进行超声振动清洗，去除试样表面的油污；

2)无水乙醇超声波清洗：将带有沟槽金属表面的加工试样置于无水乙醇溶液中进行超声振动清洗，去除试样表面的反应物；

3)去离子水超声波清洗：将带有沟槽金属表面的加工试样置于去离子水溶液中进行超声振动清洗，去除试样表面的油污。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的金属材料表面超疏水微纳结构的一步制备方法使用高速走丝电火花线切割设备加工超疏水表面，一步即可以完成加工，工艺过程简单、制备周期短；通过电极丝和金属之间的放电，直接在金属表面生成了微-纳米结构，大大降低了构筑微-纳米结构的成本，费用低；参与切割的电极丝长度可调，可以方便的在金属表面高效率大面积加工超疏水结构。

附图说明

图1为本发明的制备方法流程图；

图2为本发明实施例中高速走丝电火花线切割加工后铝合金试样表面结构的电子扫描显像图；

图3为金属表面本征接触角；

图4为使用本方法制备的金属表面超疏水图像；

其中：1、水滴，2、未加工表面，3、铝合金表面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

参见附图1，本发明的金属材料表面超疏水微纳结构的一步制备方法包括以下步骤：

步骤一：预处理，使用有机溶剂对金属试样进行超声振动清洗，去除试样表面的油污；

丙酮超声波清洗：将金属试样置于丙酮溶液中进行超声振动清洗，去除试样表面的油污；

无水乙醇超声波清洗：将金属试样置于无水乙醇溶液中进行超声振动清洗，去除试样表面的油污；

去离子水超声波清洗：将金属试样置于去离子水溶液中进行超声振动清洗，去除试样表面的油污；

步骤二：将步骤一中经超声振动清洗得到的金属试样进行线切割处理：

1)将步骤一中得到的金属试样装卡到高速走丝电火花线切割机床上；

2)调整金属试样和电极丝的位置使电极丝位于程序开始加工的位置，并且电极丝与金属试样的加工表面保持平行；

3)将编写好的微观矩形波图案程序输入到高速走丝电火花线切割机床磁盘中，调整脉冲宽度、脉冲间距、脉冲电流至电流在0.3-3.4A范围内，脉冲宽度在4-50μs范围内，脉冲间隔在24-600μs范围内，打开切削液开关和高频脉冲开关，打开程序开始加工；

4)程序结束后移动电极丝，输入切断程序，将带有沟槽金属表面的加工试样从金属试样上切除；

步骤三：后处理，使用有机溶剂对步骤二中得到的带有沟槽金属表面的加工试样进行超声振动清洗，去除所述带有沟槽金属表面的加工试样表面的油污和反应物；

丙酮超声波清洗：将带有沟槽金属表面的加工试样置于丙酮溶液中进行超声振动清洗，去除试样表面的油污；

无水乙醇超声波清洗：将带有沟槽金属表面的加工试样置于无水乙醇溶液中进行超声振动清洗，去除试样表面的反应物；

去离子水超声波清洗：将带有沟槽金属表面的加工试样置于去离子水溶液中进行超声振动清洗，去除试样表面的油污；

步骤四：将步骤三种得到的带有沟槽金属表面的加工试样置于恒温箱内烘干，得到具有超疏水微纳结构的金属材料表面。

利用本方法在铝合金表面3制备超疏水微纳结构的一步方法为：

1)采用线切割机将铝合金材料切成80×50×20mm的试样；

2)丙酮超声波清洗：用丙酮溶液对试样进行超声波振荡清洗5min，去除表面残留的油污；

3)无水乙醇超声波清洗：用无水乙醇溶液对试样进行超声波振荡清洗5min，去除表面残留的油污；

4)去离子水超声波清洗：用去离子水溶液对试样进行超声波振荡清洗5min，去除表面残留的油污；

5)线切割：将铝合金试样装卡到高速走丝电火花线切割机床上，通过用千分表调整铝合金试样加工表面，使加工表面与电极丝保持平行，移动X轴Y轴将电极丝移动到程序开始加工的位置，将电流调到0.7到2A之间，随后将编写好的微观矩形波图案程序输入到机床磁盘中，调整脉冲宽度、脉冲间距、脉冲电流至电流在0.3-3.4A范围内，脉冲宽度在4-50μs范围内，脉冲间隔在24-600μs范围内，打开切削液开关和高频脉冲开关，打开程序开始加工，通过电极丝在X、Y两个方向的运动，在金属表面加工出槽间为80-200微米槽深为40-200微米的沟槽。移动电极丝，输入切断程序，将带有沟槽金属表面的加工试样从金属试样上切除；

6)丙酮超声波清洗：用丙酮超声波振荡清洗5min，去除表面残留的油污；

7)无水乙醇超声波清洗：用无水乙醇超声波振荡清洗5min，去除表面残留的反应物；

8)去离子水超声波清洗：用去离子水超声波振荡清洗5min，去除表面残留的油污；

9)烘干：将样品置于120℃的恒温箱烘干20min，得到电子扫描显像图如图2所示的铝合金试样表面结构；

参见附图3和附图4，对本发明的制备方法加工出的仿生表面的润湿性进行了测试，并与未加工表面2进行了对比。

对研磨抛光后的5083铝合金表面3的七个样品用大小5μl的水滴1进行了静态接触角测量，每个样品上测量两个地方，得到14个数据后求平均值得出5083铝合金表面3的本征静态接触角为61.24°。

对通过本发明制备得到的铝合金进行水滴1静态接触角测量，在槽深达到80μm以后，槽宽180-200μm，槽间在140-220μm的范围内时，静态接触角达到了153°，在不同的5个位置测量了静态接触角，这样的加工表面上的水珠在1个小时后，接触角几乎不发生变化。

以上为本发明的具体实施方式，但绝非对本发明的限制。

Claims (4)

1.金属材料表面超疏水微纳结构的一步制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：预处理，使用有机溶剂对金属试样进行超声振动清洗，去除试样表面的油污；

步骤二：将步骤一中经超声振动清洗得到的金属试样进行线切割处理：

1)将步骤一中得到的金属试样装卡到高速走丝电火花线切割机床上；

2)调整金属试样和电极丝的位置使电极丝位于程序开始加工的位置，并且电极丝与金属试样的加工表面保持平行；

3)将编写好的微观矩形波图案程序输入到高速走丝电火花线切割机床磁盘中，调整脉冲宽度、脉冲间距和脉冲电流至实验数值，打开切削液开关和高频脉冲开关，打开程序开始加工，利用高速走丝电火花线切割技术在金属表面加工出槽间为80-200微米、槽深为40-200微米的沟槽；

4)程序结束后移动电极丝，输入切断程序，将带有沟槽金属表面的加工试样从金属试样上切除；

步骤三：后处理，使用有机溶剂对步骤二中得到的带有沟槽金属表面的加工试样进行超声振动清洗，去除所述带有沟槽金属表面的加工试样表面的油污和反应物；

步骤四：将步骤三中得到的带有沟槽金属表面的加工试样置于恒温箱内烘干，得到具有超疏水微纳结构的金属材料表面。

2.根据权利要求1所述的金属材料表面超疏水微纳结构的一步制备方法，其特征在于，步骤二中所述的实验数值具体指：电流的取值范围为0.3-3.4A，脉冲宽度的取值范围为4-50μs，脉冲间隔的取值范围为24-600μs。

3.根据权利要求1所述的金属材料表面超疏水微纳结构的一步制备方法，其特征在于，步骤一中所述的使用有机溶剂对金属试样进行超声振动清洗具体为：

1)丙酮超声波清洗：将金属试样置于丙酮溶液中进行超声振动清洗，去除试样表面的油污；

2)无水乙醇超声波清洗：将金属试样置于无水乙醇溶液中进行超声振动清洗，去除试样表面的油污；

3)去离子水超声波清洗：将金属试样置于去离子水溶液中进行超声振动清洗，去除试样表面的油污。

4.根据权利要求1所述的金属材料表面超疏水微纳结构的一步制备方法，其特征在于，步骤三中所述的使用有机溶剂对步骤二中得到的带有沟槽金属表面的加工试样进行超声振动清洗具体为：

1)丙酮超声波清洗：将带有沟槽金属表面的加工试样置于丙酮溶液中进行超声振动清洗，去除试样表面的油污；

2)无水乙醇超声波清洗：将带有沟槽金属表面的加工试样置于无水乙醇溶液中进行超声振动清洗，去除试样表面的反应物；

3)去离子水超声波清洗：将带有沟槽金属表面的加工试样置于去离子水溶液中进行超声振动清洗，去除试样表面的油污。