CN106938359A - 一种金属仿生微纳结构的可控制备方法 - Google Patents

一种金属仿生微纳结构的可控制备方法 Download PDF

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章桥新
刘聪
李雪伍
汤名锴
黄行九
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    • B23H—WORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
    • B23H9/00—Machining specially adapted for treating particular metal objects or for obtaining special effects or results on metal objects
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Abstract

本发明提供一种金属仿生微纳结构的可控制备方法，采用激光三维扫描采集生物表面微纳结构的三维形貌特征，计算目标点三维坐标数据，获取反映生物表面微纳结构特征的点云数据，并采用三维重构软件进行点云数据预处理，获得生物表面微纳结构的三维模型；微纳电火花机床根据输入的生物表面微纳结构的三维模型，再根据组合电极的加工顺序规划加工路径，生成加工程序，通过电极在金属表面上放电加工，复制出生物表面的微纳结构，实现生物表面微纳结构在金属表面上的可控制备。本发明能在金属材料表面复制具有良好稳定性的生物表面粗糙结构，重现生物体表面独有的功能特性，可适用于各种复杂的粗糙结构，且制备周期短，便于产业化大规模制备。

Description

一种金属仿生微纳结构的可控制备方法
技术领域
本发明涉及定制生产技术领域，具体涉及一种金属仿生微纳结构的可控制备方法。
背景技术
在自然界数亿年的进化和发展历程中，生物体表面已经形成了许多独特且巧妙的结构，使得每个物种都表现出了特有的环境适应能力。以荷叶为例，荷叶因其“出淤泥而不染”的品质被认为是高洁的象征。直至上世纪90年代，通过扫描电子显微镜观察荷叶表皮微观结构才解释了“荷叶效应”的机理。荷叶的疏水现象不单单是表面蜡质层所致，究其根本是由于表面存在着包含一定形貌特征的粗糙结构。相类似的还有穿山甲体表的角质鳞片使其在土壤中来去自如，蝴蝶表面覆瓦状非光滑微米级结构使翅膀表面色彩绚丽缤纷，而且不褪色，这些具有独特作用行为与功能的生物表面结构使得各物种均表现出了特有的环境适应能力。
受自然界生物表面特性启发，仿生微纳制造、材料表/界面控制技术已成为功能材料学研究的热点，表面仿生微纳结构通过改变表/界面的作用行为而赋予材料新的功能特性。表面仿生微纳制备从提出到现在，已经历数十载，如今涉及机械、材料、医学、生物、建筑、电子、轻工、纺织等多个领域，在生活及工业中为人类解决各种各样的问题。
目前表面微结构制备方法可分为物理和化学两种，物理方法主要包括简单的机械加工、模板法、静电纺丝法、微纳3D打印法、激光加工、光刻法等。化学方法主要有电化学沉积法、水热合成法、溶胶-凝胶法、气相沉积、金属表面的酸碱刻蚀等方法。现有的仿生制备方法多以尝试为主，基于设计的微纳结构的可控制备缺乏有效的方法与实现技术手段，难以进行金属表面微纳结构的可控制备或规模化制备，且现有制备方法制备的微纳结构的稳定性以及与基体的结合强度严重不足；其次是由于对微纳结构的科学认识不足，现有的微纳仿生制造多以仿制为主，仿制出的材料表面难以重现生物体表面独有的功能特性。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属仿生微纳结构的可控制备方法，采用激光三维扫描技术和微纳电火花加工技术，能在金属材料表面复制具有良好稳定性的生物表面粗糙结构，重现生物体表面独有的功能特性，可适用于各种复杂的粗糙结构，且制备周期短，便于产业化大规模制备。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种金属仿生微纳结构的可控制备方法，采用激光三维扫描仪采集生物(如荷叶、玫瑰花瓣、鲨鱼皮肤等)表面微纳结构并生成三维模型，然后通过微纳电火花加工技术在金属表面上复制出生物表面的微纳结构。
根据以上方案，所述激光三维扫描采集生物表面微纳结构的三维形貌特征，计算目标点三维坐标数据，获取反映生物表面微纳结构特征的点云数据，并采用三维重构软件进行点云数据预处理，获得生物表面微纳结构的三维模型。
根据以上方案，所述微纳电火花加工采用微纳电火花机床，所述微纳电火花机床根据输入的生物表面微纳结构的三维模型，再根据组合电极的加工顺序规划加工路径，生成加工程序，通过电极在金属表面上放电加工，复制出生物表面的微纳结构，实现生物表面微纳结构在金属表面上的可控制备。
根据以上方案，所述电极包括微米电极和纳米电极，且采用封装形式在所述电极侧面均涂上一层二氧化硅膜，以有效阻隔侧面放电，避免在加工曲面时电极侧面放电影响微纳结构的加工精度。
本发明采用的微纳电火花加工技术作为一种精密加工技术已经经历了半个多世纪的发展，在脉冲电源、微纳电极制备、电极损耗及补偿、加工状态监测与放电间隙控制等关键技术上取得了很大的发展，该技术正朝着微细化、高精度方向发展。
本发明的有益效果是：
1)本发明方法充分利用激光三维扫描技术对生物表面复杂粗糙结构的高精度采集功能和微纳电火花机床的高加工精度，提供了一种全新的金属仿生微纳结构可控制备方法；
2)本发明方法制备的微纳结构具有良好的稳定性，且与基体结合牢固；
3)本发明方法能在金属表面复制生物表面粗糙结构，重现生物体表面独有的功能特性，同时也赋予材料新的功能，可适用于各种复杂的粗糙结构，且制备周期短，便于产业化大规模制备。
附图说明
图1是本发明的技术路线示意图；
图2是本发明的荷叶表面结构示意图；
图3是本发明的微纳组合电极加工顺序及路径规划示意图；
图4是本发明的微纳电极的封装示意图。
图中：1、荷叶表面微米结构；2、荷叶表面纳米结构；3、金属铜表面；4、微纳结构包络面；5、铜表面微米结构；6、铜表面纳米结构；7、铜表面上的曲面；8、电极；9、二氧化硅膜。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。
实施例1，见图1至图4：
本发明提供一种金属仿生微纳结构的可控制备方法，利用激光三维扫描仪和微纳电火花加工机床，在金属铜上复制荷叶表面微纳结构(见图1)：
采用激光三维扫描采集荷叶表面微米结构1和纳米结构2(见图2)的三维形貌特征，计算目标点三维坐标数据，获取反映荷叶表面微纳结构特征的点云数据，并采用三维重构软件进行点云数据预处理，获得荷叶表面微纳结构的三维模型；
微纳电火花机床根据输入的荷叶表面微纳结构的三维模型，再根据组合电极的加工顺序规划加工路径，生成加工程序，先用微米电极在金属铜表面3上放电加工出微纳结构包络面4，在此基础上，用纳米电极8一次在金属铜表面3上加工出微米结构5和纳米结构6(见图3)，复制出荷叶表面的微米结构1和纳米结构2，实现荷叶表面微纳结构在金属铜表面上的可控制备。
进一步地，所述微米电极和纳米电极8均采用封装形式在电极侧面均涂上一层二氧化硅膜9，以有效阻隔侧面放电，避免在加工铜表面上的曲面7时电极侧面放电影响微纳结构的加工精度(见图4)。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (4)

1.一种金属仿生微纳结构的可控制备方法，其特征在于，采用激光三维扫描仪采集生物表面微纳结构并生成三维模型，然后通过微纳电火花加工技术在金属表面上复制出生物表面的微纳结构。
2.根据权利要求1所述的金属仿生微纳结构的可控制备方法，其特征在于，所述激光三维扫描采集生物表面微纳结构的三维形貌特征，计算目标点三维坐标数据，获取反映生物表面微纳结构特征的点云数据，并采用三维重构软件进行点云数据预处理，获得生物表面微纳结构的三维模型。
3.根据权利要求1或2所述的金属仿生微纳结构的可控制备方法，其特征在于，所述微纳电火花加工采用微纳电火花机床，所述微纳电火花机床根据输入的生物表面微纳结构的三维模型，再根据组合电极的加工顺序规划加工路径，生成加工程序，通过电极在金属表面上放电加工，复制出生物表面的微纳结构，实现生物表面微纳结构在金属表面上的可控制备。
4.根据权利要求3所述的金属仿生微纳结构的可控制备方法，其特征在于，所述电极包括微米电极和纳米电极，且采用封装形式在所述电极侧面均涂上一层二氧化硅膜。
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