CN105665855B - 一种铝合金不修饰的仿生超疏水、低粘附表面的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金不修饰的仿生超疏水、低粘附表面的制备方法，打破传统采用化学修饰制备超疏水表面的研究理念，采用仿生学理念，提取具有超疏水特性的植物叶片表面几何纹理与数学分布关系，不采用任何化学修饰，直接在铝合金表面构筑多尺度的仿生几何纹理，应用于铝合金表面超疏水、低粘附制备技术中，实现植物叶片超疏水功能的工程仿生高效再现。本发明在铝合金表面仅利用机械加工出不同尺度几何纹理的方式构建仿生超疏水和防粘附表面，不需任何化学修饰与处理，具有方法简便、绿色节能、减少环境污染、易于推广等特性。

Description

一种铝合金不修饰的仿生超疏水、低粘附表面的制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金材料表面仿生超疏水技术领域，特别涉及一种铝合金不修饰的仿生超疏水、低粘附表面的制备方法。

背景技术

具有超疏水、低粘附特性的铝合金功能表面，可以让水滴与油污等液体不浸润、不粘附、易流动滚落，具有自清洁、防水、防油、防冻粘、防腐蚀、减阻、无损失液体输送等特性，这不仅在人们日常生活用品中具有巨大的应用前景，例如炊具、厨具、洁具等，在航空、航天、航海、交通、能源、国防等多个领域亦具有非常高的应用价值，如飞机、汽车、卫星天线、散热器、雷达的保洁表面，车辆内饰件模具防粘表面，潜艇水体的减阻表面，石油化工领域内壁修饰表面等，因此，随着对疏水功能表面的需求越来越多，在具有高表面能的铝合金或合金基体上构建超疏水特性已成为一个新兴领域和研究热点。

目前，在铝合金表面进行超疏水处理的主要途径包括：(1)在铝合金表面构筑粗糙结构，使其表面由亲水转向疏水，再在粗糙结构基础上修饰低能物质，从而实现超疏水；(2)直接使铝合金与酸类物质发生化学反应，利用生成物的化学成分与特殊形态等实现超疏水；(3)直接在铝合金表面施加涂层、镀膜等，利用特殊的涂层、镀膜材料实现超疏水。

现有方法的共性是都需要在工件表面进行化学修饰，如采用化学刻蚀、阳化氧化、电镀、涂敷、自组装、溶胶-凝胶、模版法等，利用这些方法将低表面能材料修饰在工件表面，实现超疏水，这些制备超疏水表面技术的缺点是表面膜易脱落、稳定性差、性能不持久、可控性弱、工艺复杂、成本高、环境不友好、不易推广等。

自然界中许多生物表面呈现出优异的自洁功能，如荷叶、水莲叶、苇叶、竹叶、芋叶等植物叶片以及一些有翅昆虫，如蝴蝶、蜻蜓、蝉、蛾等昆虫翅膀皆具有自清洁功能，当雨、雪、灰尘等污染物落在其表面上时，它们能进行自我清洁，而人工清洗同等面积的表面却要花费几倍的努力，通过对这些模本表观几何形态与数学分布关系分析发现，其叶片表面或翅膀表面普遍存在着宏观或微观几何形态，它们由数个单元体组成，形状有凸包形、凹坑形、条纹形、波纹形、网格形、锥形等，分布存在一定的数学关系，如均匀分布、运算关系分布、随机分布、分形分布等，这些特殊的几何形态使其展现出了良好的超疏水特性与自洁功能。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有铝合金表面进行超疏水处理方法是都需要在工件表面进行化学修饰，铝合金表面膜易脱落、稳定性差、性能不持久、可控性弱、工艺复杂、成本高、污染环境、不易推广等问题，而提供一种铝合金不修饰的仿生超疏水、低粘附表面的制备方法。

本发明打破传统采用化学修饰制备超疏水表面的研究理念，采用仿生学理念，提取具有超疏水特性的植物叶片表面几何纹理与数学分布关系，不采用任何化学修饰，直接在铝合金表面构筑多尺度的仿生几何纹理，应用于铝合金表面超疏水、低粘附制备技术中，实现植物叶片超疏水功能的工程仿生高效再现。

本发明的制备方法：

1、提取参数：通过仪器提取具有超疏水特性的荷叶、苇叶、三叶草等植物叶片表面几何结构与数学分布规律等特征参数，包括仿生凸包纹理参数、仿生条纹纹理参数和仿生复式几何纹理参数；

2、铝合金基底处理：选取所需铝合金原材料，将其加工成薄板，进行抛光处理，去掉表面划痕，并用无水乙醇清洗铝基底；

3、电火花微纳米线切割：通过电火花微纳米线切割技术，在铝合金基体的表面上加工凸包、条纹、网格、复式仿生几何纹理。

所述原材料为6061铝合金板，体积为10mm×10mm×2mm；

所述电火花微纳米线切割是采用金马DK7732型微纳米线切割机床进行几何纹理加工，加工参数为：钼丝直径为0.12mm，切削液为JR3A乳液，脉宽为16μs，脉间为112μs，运丝速度为50Hz。

所述仿生凸包纹理参数范围：凸包直径200μm～2000μm，深度300μm～2000μm，中心距为100μm～3000μm；

所述仿生条纹纹理参数范围：条纹宽度100μm～2000μm，深度300μm～2000μm，中心距为200μm～3000μm；

所述仿生网格纹理参数范围：网格尺寸200μm～2000μm×200μm～2000μm，网纹宽度200μm～500μm，网纹深度300μm～1000μm；

所述仿生复式几何纹理参数范围：凸包与条纹规律性分布，每两行条纹正中分布一行凸包，条纹宽度200μm～500μm，条纹深度300μm～2000μm，条纹中心距为1000μm～3000μm，凸包直径200μm～800μm，深度300μm～2000μm。

本发明的有益效果：

1、本发明将植物叶片表面几何结构与数学分布规律高效转化到工程部件材料表面，不需要额外低表面能材料、不需要任何化学修饰、不需要其它复杂制备工艺与后处理工艺等，在铝合金基底制备出一种超疏水、低粘附功能表面；

2、该方法与传统化学刻蚀、阳化氧化、电镀、涂敷、自组装、溶胶-凝胶、模版法等制备仿生超疏水表面技术相比，方法简便、绿色节能、减少环境污染、易于推广；

3、该发明可在各种铝合金与非铝合金表面制备一定的几何纹理，实现仿生超疏水、低粘附特性，同时，具有稳定性好，不易失效，可长时间使用且后期维护方便。

附图说明

图1是本发明的荷叶表面(仿生凸包原型)扫描电子显微镜示意图。

图2是本发明的仿生凸包形样件表面几何特征示意图。

图3是本发明的仿生凸包形样件及其与水滴的接触角示意图。

图4是本发明的光滑铝合金材料表面水滴动态弹跳模式示意图。

图5是本发明的仿生凸包形几何表面水滴动态弹跳模式示意图。

图6是本发明的苇叶表面(仿生条纹原型)扫描电子显微镜示意图。

图7是本发明的仿生条纹形样件表面几何特性示意图。

图8是本发明的仿生条纹形样件及其与水滴的接触角示意图。

图9是本发明的仿生条纹形几何表面水滴动态弹跳模式示意图。

具体实施方式

实施例1

仿生凸包形几何纹理的制备方法如下：

请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9所示：

根据荷叶表面几何形态特征参数，如图1所示，制备仿荷叶表面凸包形态几何纹理样件，将10mm×10mm×2mm的6061铝合金板用无水乙醇清洗后，进行电火花微纳米线切割加工；

电火花微纳米线切割工艺参数为：钼丝直径为0.12mm，切削液为JR3A乳液，脉宽为16μs，脉间为112μs，运丝速度为50Hz；

在铝合金板表面加工参数为：凸包直径300μm，深度300μm，中心距为400μm，制备出的具有凸包形态的样件表面几何纹理，经测试，其样件表面接触角为153°，表现出了良好的超疏水现象；通过高速摄像机对光滑铝合金样件和具有仿生凸包形几何纹理样件进行动态滴水观测实验，滴水高度为H＝140mm，测试结果表明，水滴在光滑铝合金表面只经过接触、扩散与收缩，没有离开接触表面，水滴一直对材料表面进行浸润与接触粘附，而水滴在具有仿生凸包形几何纹理样件表面发生接触、扩散、收缩与弹起，从接触到弹起所用的时间为13.4ms，接触时间非常短，具有低粘附性，同时，发现凸包形几何纹理能够减小水滴与样件表面的接触面积，让水滴对称扩散后，又产生指向水滴中心的回缩力，将水滴团聚后弹起，使水滴不粘附于样件表面，易于滚动脱离，可见，本发明制备的具有仿生凸包形几何纹理样件，在不经任何低表面能材料化学修饰的条件下，仅采用仿生几何纹理便实现了超疏水、低粘附特性。

实施例2

仿生条纹几何纹理制备方法如下：

请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9所示：

根据苇叶表面条纹形态特征参数，制备仿苇叶表面条纹形态几何纹理样件，将10mm×10mm×2mm的6061铝合金板用无水乙醇清洗后，进行电火花微纳米线切割加工；

电火花微纳米线切割工艺参数为：钼丝直径为0.12mm，切削液为JR3A乳液，脉宽为16μs，脉间为112μs，运丝速度为50Hz；

在铝合金板表面加工条纹参数为：条纹宽度100μm，深度300μm，中心距为400μm，制备出的具有条纹形态的样件表面几何纹理，条纹按照设定的数学比例关系均匀分布，通过对样件表面进行与水滴接触实验测试表明，其样件表面接触角为150°，与仿生凸包形几何纹理样件相似，这种条纹几何纹理表面也表现出了良好的超疏水现象，通过高速摄像机对具有仿生条纹形几何纹理样件进行动态滴水观测实验，滴水高度为H＝140mm，测试结果表明，水滴在具有仿生条纹形几何纹理样件表面发生接触、扩散、收缩与弹起，从接触到弹起所用的时间为14.3ms，接触时间非常短，同时，发现条纹形几何纹理能够重塑接触液滴形状，打破液滴对称性，使其以分裂成多个更小液滴的形式快速离开接触面，展现出了良好的超疏水性和低粘附性。可见，本发明制备的具有仿生条纹形几何纹理的样件，在不经任何低表面能材料化学修饰的条件下，仅利用仿生表面几何纹理改变水滴与样件表面接触面积，增大了接触角，降低了接触时间，有效实现了超疏水、低粘附特性。

Claims (1)

1.一种铝合金不修饰的仿生超疏水、低粘附表面的制备方法，该方法的步骤如下：

一、提取参数：通过仪器提取具有超疏水特性的荷叶、苇叶、三叶草等植物叶片表面几何结构与数学分布规律特征参数，包括仿生凸包纹理参数、仿生条纹纹理参数、仿生网格纹理参数和仿生复式几何纹理参数；

二、铝合金基底处理：选取所需铝合金原材料，将其加工成薄板，进行抛光处理，去掉表面划痕，并用无水乙醇清洗铝基底；

三、电火花微纳米线切割：通过电火花微纳米线切割技术，在铝合金基体的表面上加工仿生凸包纹理、仿生条纹纹理、仿生网格纹理和仿生复式几何纹理；

所述原材料为6061铝合金板，体积为10mm×10mm×2mm；

所述电火花微纳米线切割是采用金马DK7732型微纳米线切割机床进行几何纹理加工，加工参数为：钼丝直径为0.12mm，切削液为JR3A乳液，脉宽为16μs，脉间为112μs，运丝速度为50Hz；

所述仿生凸包纹理参数范围：凸包直径200μm～2000μm，深度300μm～2000μm，中心距为100μm～3000μm；

所述仿生条纹纹理参数范围：条纹宽度100μm～2000μm，深度300μm～2000μm，中心距为200μm～3000μm；

所述仿生网格纹理参数范围：网格尺寸200μm～2000μm×200μm～2000μm，网纹宽度200μm～500μm，网纹深度300μm～1000μm；

所述仿生复式几何纹理参数范围：凸包与条纹规律性分布，每两行条纹正中分布一行凸包，条纹宽度200μm～500μm，条纹深度300μm～2000μm，条纹中心距为1000μm～3000μm，凸包直径200μm～800μm，深度300μm～2000μm。