CN107723773A - 一种铝合金仿生防冰表面的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铝合金仿生防冰表面的制备方法，其受天然生物体表面疏水自洁特性的启发，采用激光加工及阳极氧化的方法，制备出具有仿生微柱形阵列结构的超疏水表面。该方法首先该方法首先以激光烧蚀的加工工艺，目的在于设计并改变铝合金表面的形貌，制备出规则的微柱形阵列结构；再将该微柱形阵列结构的铝合金表面浸入电解液中进行阳极氧化处理，使其表面形成具有低表面能的氧化层，从而获得超疏水特性。该仿生超疏水铝合金防冰表面的制备方法其操作简单、实验参数可控且成本低廉，此方法可用于批量制造超疏水性能的表面，制备的表面具有较好的防冰性能和良好的机械稳定性。
Description
技术领域
本发明属于金属材料表面改性技术，具体涉及一种一步阳极氧化制备仿生超疏水表面的方法，特别涉及一种铝合金仿生防冰表面的制备方法。
背景技术
多年以来，冰覆问题造成的危害给人们的生产和生活带来严重威胁，如高压输电线冰覆会导致电网大量倒塔、断线，变电站停运；飞行器表面冰覆会导致飞行器最大升力下降、飞行阻力上升、操作性下降、稳定性减弱，对飞行安全形成很大威胁；此外，重要设备的冰覆也会给人们生活带来极大的安全隐患。表面冰覆问题已成为一个严峻的挑战，引起国内外专家学者的广泛关注。目前，表面除冰的方法主要包括：热力除冰法、机械除冰法等被动式除冰的方法。但是，此类方法存在能耗高、危险性大且会造成表面损坏及加速设备老化等问题。主动式防冰覆方法可以从根本上实现防止冰覆，避免了被动式除冰方法带来的诸多问题，该方法关键之处在于防止液态水滴在材料表面粘附和凝结，以及避免液态水在材料表面由液态水向固态水的转换。而基于冻粘机理和规律进行新型的防止冰覆技术的研究，已成为国内外专家学者亟待解决的重要课题。
受到自然界中许多植物和昆虫体表特殊的疏水特性的启发，如荷叶、玫瑰花瓣、万寿菊花瓣、稻叶、水黾、蝴蝶翅膀和蚊子眼睛等，很多国内外的专家对这种特殊的表面性质进行了深入研究。研究发现，在普通金属材料表面制备出这种仿生超疏水材料，并将其应用于实际工程中，可以在不同材料表面实现主动式防冰覆的效果。目前，科研人员已研发出多种得到新型超疏水防冰表面的方法，如化学刻蚀法、机械方法以及有机、无机物涂层等方法。虽然上述方法通过调节实验过程，可以实现对表面结构及疏水性的调节，但这些方法往往存在工艺复杂、成本高、机械性能差等缺点，难以广泛应用于生产实践。近年来，虽发展了一些采用阳极氧化法制备铝合金超疏水表面的技术。然而，现有的这些方法所配制的电解液具有高腐蚀性和高污染性，对人体及环境危害极大，且制备过程复杂。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供一种铝合金仿生防冰表面的制备方法，其仿照天然生物体表面微观结构的特征，采用激光雕刻技术在铝合金表面制备出高精度微柱形阵列结构，后经阳极氧化法对微结构表面进行改性处理，以一种简单高效的方式制备了具有超疏水特性的表面，具备极好的表面防冰性能，本方法制备成本低廉、适于批量生产。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种铝合金仿生防冰表面的制备方法，包括以下步骤：
A、对铝合金表面进行预处理：铝合金表面依次用800#，1500#，2000#砂纸打磨去除表面氧化层，将打磨后的铝合金表面依次放置于丙酮、无水乙醇和蒸馏水中超声波清洗，除去表面的污垢；
B、表面微纳米层级结构制备：利用激光雕刻机对预处理后的铝合金表面进行激光烧蚀处理，制备具有微观结构的铝合金表面，微观表面为直径30μm-80μm圆柱形阵列结构，相邻两个圆柱的圆心间距为80μm-150μm，单个圆柱高度为80μm；
随后再次将具有微结构的铝合金表面依次放置于丙酮、无水乙醇和蒸馏水中超声波清洗，除去表面的污垢；
C、表面阳极氧化：将清洗后的铝合金微结构表面浸入电解液中进行阳极氧化处理，所述电解液由0.3-0.6mol/L三氧化二铝水溶液和0.45-0.65mol/L硬脂酸乙醇溶液按1:3-1:10容积比配比而成，电解液体积为80-150ml；室温下，以微结构铝合金板作为阳极，去除表面氧化层的铝合金板作为阴极对铝合金微结构表面进行阳极氧化处理，电压为18-25V，电解时间为60-120min，阳极氧化反应完成后，即可制备出具有微柱形阵列结构的仿生超疏水表面，随后用无水乙醇对表面进行冲洗，去除表面残留电解液。
步骤B，所述圆柱形阵列结构的直径为50μm，相邻两个圆柱的圆心间距为100μm。
步骤C，所述电解液由0.5mol/L三氧化二铝水溶液和0.5mol/L硬脂酸乙醇溶液按1:8容积比配比而成，电解液体积为100ml。
步骤C，所述电压为20V，电解时间为120min。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明所制备的超疏水铝合金防冰覆表面硬度高、抗蚀性、防冰覆性能好；处理工艺简单、操作方便；制备过程能耗少，成本较低；生产效率高，对环境危害小，容易在现有设备及条件下进行技术改造和革新。此方法可用于批量制造超疏水性能的表面，适合广泛的推广和使用，对于开发工业兼容的铝基超疏水表面加工技术的意义重大。
附图说明
图1是本发明实施例4、实施例5、实施例6和实施例7所述阳极氧化过程中电解液不同配比分别为1:3、1:5、1:8和1:10时制得表面的接触角曲线示意图；
图2是本发明实施例4、实施例5、实施例6和实施例7所述阳极氧化过程中电解液不同配比分别为1:3、1:5、1:8和1:10时制得表面的防冰/疏冰实验效果图。
具体实施方式
本发明是以天然生物体中超疏水性微观结构为设计原型，采用激光雕刻技术和阳极氧化技术制备表面微纳米层级结构并改性处理。
如图1所示，本发明制备的超疏水铝合金防冰覆表面，与水的接触角为159°，水滴在材料表面的滚动角小于5°。如图2所示，超疏水铝合金表面的超疏水性质稳定，在温度范围为0-30℃，相对湿度为30％-70％的环境中放置8个月，超疏水性质没有发生明显变化。
该方法首先采用激光烧蚀的加工工艺，目的在于设计并改变铝合金表面的形貌，制备出规则的微柱形阵列结构表面；该分级结构表面经阳极氧化法改性处理后，即可呈现超疏水特性，具体步骤如下：
A、对铝合金表面进行预处理：铝合金表面依次用800#，1500#，2000#砂纸打磨去除表面氧化层，将打磨后的铝合金表面依次放置于丙酮、无水乙醇和蒸馏水中超声波清洗，除去表面的污垢；
B、表面微纳米层级结构制备：利用激光雕刻机对预处理后的铝合金表面进行激光烧蚀处理，制备具有微观结构的铝合金表面，微观表面为直径30μm-80μm圆柱形阵列结构，相邻两个圆柱的圆心间距为80μm-150μm；
随后再次将具有微结构的铝合金表面依次放置于丙酮、无水乙醇和蒸馏水中超声波清洗，除去表面的污垢；
C、表面阳极氧化：将清洗后的铝合金微结构表面浸入电解液中进行阳极氧化处理，所述电解液由0.3-0.6mol/L三氧化二铝水溶液和0.45-0.65mol/L硬脂酸乙醇溶液按1:3-1:10容积比配比而成，电解液体积为80-150ml。室温下，以微结构铝合金板作为阳极，去除表面氧化层的铝合金板作为阴极对铝合金微结构表面进行阳极氧化处理，电压为18-25V，电解时间为60-120min。阳极氧化反应完成后，即可制备出具有微柱形阵列结构的仿生超疏水表面。随后用无水乙醇对表面进行冲洗，去除表面残留电解液。
所述步骤B中采用非接触式激光雕刻加工的方式，加工精度高，高速快捷，可制备出具有规则阵列结构的微柱形结构表面，便于批量生产。
所述步骤C中电解液组成溶液配比，将会对铝合金表面的疏水性能产生直接影响，主要表现为随着溶液配比的增加，铝合金表面的疏水性能随之增加。
本发明所采用的铝合金板面积为20*20mm2，板厚2mm。
实施例1
一种铝合金仿生防冰表面的制备方法，具体步骤如下：
A、对铝合金表面进行预处理：铝合金表面依次用800#，1500#，2000#砂纸打磨去除表面氧化层，将打磨后的铝合金表面依次放置于丙酮、无水乙醇和蒸馏水中超声波清洗，除去表面的污垢；
B、表面微纳米层级结构制备：利用激光雕刻机对预处理后的铝合金表面进行激光烧蚀处理，制备具有微观结构的铝合金表面，微观表面为直径30μm圆柱形阵列结构，相邻两个圆柱的圆心间距为80μm，单个圆柱高度为80μm；
随后再次将具有微结构的铝合金表面依次放置于丙酮、无水乙醇和蒸馏水中超声波清洗，除去表面的污垢；
C、表面阳极氧化：将清洗后的铝合金微结构表面浸入电解液中进行阳极氧化处理，所述电解液由0.3mol/L三氧化二铝水溶液和0.45mol/L硬脂酸乙醇溶液按1:3容积比配比而成，电解液体积为80ml。室温下，以微结构铝合金板作为阳极，去除表面氧化层的铝合金板作为阴极对铝合金微结构表面进行阳极氧化处理，电压为18V，电解时间为60min。阳极氧化反应完成后，即可制备出具有微柱形阵列结构的仿生超疏水表面。随后用无水乙醇对表面进行冲洗，去除表面残留电解液。
实施例2
一种铝合金仿生防冰表面的制备方法，具体步骤如下：
A、对铝合金表面进行预处理：铝合金表面依次用800#，1500#，2000#砂纸打磨去除表面氧化层，将打磨后的铝合金表面依次放置于丙酮、无水乙醇和蒸馏水中超声波清洗，除去表面的污垢；
B、表面微纳米层级结构制备：利用激光雕刻机对预处理后的铝合金表面进行激光烧蚀处理，制备具有微观结构的铝合金表面，微观表面为直径60μm圆柱形阵列结构，相邻两个圆柱的圆心间距为120μm，单个圆柱高度为80μm；
随后再次将具有微结构的铝合金表面依次放置于丙酮、无水乙醇和蒸馏水中超声波清洗，除去表面的污垢；
C、表面阳极氧化：将清洗后的铝合金微结构表面浸入电解液中进行阳极氧化处理，所述电解液由0.5mol/L三氧化二铝水溶液和0.5mol/L硬脂酸乙醇溶液按1:8容积比配比而成，电解液体积为100ml。室温下，以微结构铝合金板作为阳极，去除表面氧化层的铝合金板作为阴极对铝合金微结构表面进行阳极氧化处理，电压为22V，电解时间为80min。阳极氧化反应完成后，即可制备出具有微柱形阵列结构的仿生超疏水表面。随后用无水乙醇对表面进行冲洗，去除表面残留电解液。
实施例3
一种铝合金仿生防冰表面的制备方法，具体步骤如下：
A、对铝合金表面进行预处理：铝合金表面依次用800#，1500#，2000#砂纸打磨去除表面氧化层，将打磨后的铝合金表面依次放置于丙酮、无水乙醇和蒸馏水中超声波清洗，除去表面的污垢；
B、表面微纳米层级结构制备：利用激光雕刻机对预处理后的铝合金表面进行激光烧蚀处理，制备具有微观结构的铝合金表面，微观表面为直径80μm圆柱形阵列结构，相邻两个圆柱的圆心间距为150μm，单个圆柱高度为80μm；
随后再次将具有微结构的铝合金表面依次放置于丙酮、无水乙醇和蒸馏水中超声波清洗，除去表面的污垢；
C、表面阳极氧化：将清洗后的铝合金微结构表面浸入电解液中进行阳极氧化处理，所述电解液由0.6mol/L三氧化二铝水溶液和0.65mol/L硬脂酸乙醇溶液按1:10容积比配比而成，电解液体积为150ml。室温下，以微结构铝合金板作为阳极，去除表面氧化层的铝合金板作为阴极对铝合金微结构表面进行阳极氧化处理，电压为25V，电解时间为100min。阳极氧化反应完成后，即可制备出具有微柱形阵列结构的仿生超疏水表面。随后用无水乙醇对表面进行冲洗，去除表面残留电解液。
实施例4
一种铝合金仿生防冰表面的制备方法，具体步骤如下：
A、对铝合金表面进行预处理：铝合金表面依次用800#，1500#，2000#砂纸打磨去除表面氧化层，将打磨后的铝合金表面依次放置于丙酮、无水乙醇和蒸馏水中超声波清洗，除去表面的污垢；
B、表面微纳米层级结构制备：利用激光雕刻机对预处理后的铝合金表面进行激光烧蚀处理，制备具有微观结构的铝合金表面，微观表面为直径50μm圆柱形阵列结构，相邻两个圆柱的圆心间距为100μm，单个圆柱高度为80μm；
随后再次将具有微结构的铝合金表面依次放置于丙酮、无水乙醇和蒸馏水中超声波清洗，除去表面的污垢；
C、表面阳极氧化：将清洗后的铝合金微结构表面浸入电解液中进行阳极氧化处理，所述电解液由0.5mol/L三氧化二铝水溶液和0.5mol/L硬脂酸乙醇溶液按1:3容积比配比而成，电解液体积为100ml。室温下，以微结构铝合金板作为阳极，去除表面氧化层的铝合金板作为阴极对铝合金微结构表面进行阳极氧化处理，电压为20V，电解时间为120min。阳极氧化反应完成后，即可制备出具有微柱形阵列结构的仿生超疏水表面。随后用无水乙醇对表面进行冲洗，去除表面残留电解液。
实施例5
一种铝合金仿生防冰表面的制备方法，具体步骤如下：
A、对铝合金表面进行预处理：铝合金表面依次用800#，1500#，2000#砂纸打磨去除表面氧化层，将打磨后的铝合金表面依次放置于丙酮、无水乙醇和蒸馏水中超声波清洗，除去表面的污垢；
B、表面微纳米层级结构制备：利用激光雕刻机对预处理后的铝合金表面进行激光烧蚀处理，制备具有微观结构的铝合金表面，微观表面为直径50μm圆柱形阵列结构，相邻两个圆柱的圆心间距为100μm，单个圆柱高度为80μm；
随后再次将具有微结构的铝合金表面依次放置于丙酮、无水乙醇和蒸馏水中超声波清洗，除去表面的污垢；
C、表面阳极氧化：将清洗后的铝合金微结构表面浸入电解液中进行阳极氧化处理，所述电解液由0.5mol/L三氧化二铝水溶液和0.5mol/L硬脂酸乙醇溶液按1:5容积比配比而成，电解液体积为100ml。室温下，以微结构铝合金板作为阳极，去除表面氧化层的铝合金板作为阴极对铝合金微结构表面进行阳极氧化处理，电压为20V，电解时间为120min。阳极氧化反应完成后，即可制备出具有微柱形阵列结构的仿生超疏水表面。随后用无水乙醇对表面进行冲洗，去除表面残留电解液。
实施例6
一种铝合金仿生防冰表面的制备方法，具体步骤如下：
A、对铝合金表面进行预处理：铝合金表面依次用800#，1500#，2000#砂纸打磨去除表面氧化层，将打磨后的铝合金表面依次放置于丙酮、无水乙醇和蒸馏水中超声波清洗，除去表面的污垢；
B、表面微纳米层级结构制备：利用激光雕刻机对预处理后的铝合金表面进行激光烧蚀处理，制备具有微观结构的铝合金表面，微观表面为直径50μm圆柱形阵列结构，相邻两个圆柱的圆心间距为100μm，单个圆柱高度为80μm；
随后再次将具有微结构的铝合金表面依次放置于丙酮、无水乙醇和蒸馏水中超声波清洗，除去表面的污垢；
C、表面阳极氧化：将清洗后的铝合金微结构表面浸入电解液中进行阳极氧化处理，所述电解液由0.5mol/L三氧化二铝水溶液和0.5mol/L硬脂酸乙醇溶液按1:8容积比配比而成，电解液体积为100ml。室温下，以微结构铝合金板作为阳极，去除表面氧化层的铝合金板作为阴极对铝合金微结构表面进行阳极氧化处理，电压为20V，电解时间为120min。阳极氧化反应完成后，即可制备出具有微柱形阵列结构的仿生超疏水表面。随后用无水乙醇对表面进行冲洗，去除表面残留电解液。
实施例7
一种铝合金仿生防冰表面的制备方法，具体步骤如下：
A、对铝合金表面进行预处理：铝合金表面依次用800#，1500#，2000#砂纸打磨去除表面氧化层，将打磨后的铝合金表面依次放置于丙酮、无水乙醇和蒸馏水中超声波清洗，除去表面的污垢；
B、表面微纳米层级结构制备：利用激光雕刻机对预处理后的铝合金表面进行激光烧蚀处理，制备具有微观结构的铝合金表面，微观表面为直径50μm圆柱形阵列结构，相邻两个圆柱的圆心间距为100μm，单个圆柱高度为80μm；
随后再次将具有微结构的铝合金表面依次放置于丙酮、无水乙醇和蒸馏水中超声波清洗，除去表面的污垢；
C、表面阳极氧化：将清洗后的铝合金微结构表面浸入电解液中进行阳极氧化处理，所述电解液由0.5mol/L三氧化二铝水溶液和0.5mol/L硬脂酸乙醇溶液按1:10容积比配比而成，电解液体积为100ml。室温下，以微结构铝合金板作为阳极，去除表面氧化层的铝合金板作为阴极对铝合金微结构表面进行阳极氧化处理，电压为20V，电解时间为120min。阳极氧化反应完成后，即可制备出具有微柱形阵列结构的仿生超疏水表面。随后用无水乙醇对表面进行冲洗，去除表面残留电解液。
本发明受天然生物体表面疏水自洁特性的启发，采用激光加工及阳极氧化的方法，制备出具有仿生微柱形阵列结构的超疏水表面。该方法首先该方法首先以激光烧蚀的加工工艺，目的在于设计并改变铝合金表面的形貌，制备出规则的微柱形阵列结构；再将该微柱形阵列结构的铝合金表面浸入电解液中进行阳极氧化处理，使其表面形成具有低表面能的氧化层，从而获得超疏水特性。该仿生超疏水铝合金防冰表面的制备方法其操作简单、实验参数可控且成本低廉，此方法可用于批量制造超疏水性能的表面，制备的表面具有较好的防冰性能和良好的机械稳定性。
Claims (4)
1.一种铝合金仿生防冰表面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、对铝合金表面进行预处理：铝合金表面依次用800#，1500#，2000#砂纸打磨去除表面氧化层，将打磨后的铝合金表面依次放置于丙酮、无水乙醇和蒸馏水中超声波清洗，除去表面的污垢；
B、表面微纳米层级结构制备：利用激光雕刻机对预处理后的铝合金表面进行激光烧蚀处理，制备具有微观结构的铝合金表面，微观表面为直径30μm-80μm圆柱形阵列结构，相邻两个圆柱的圆心间距为80μm-150μm，单个圆柱高度为80μm；
随后再次将具有微结构的铝合金表面依次放置于丙酮、无水乙醇和蒸馏水中超声波清洗，除去表面的污垢；
C、表面阳极氧化：将清洗后的铝合金微结构表面浸入电解液中进行阳极氧化处理，所述电解液由0.3-0.6mol/L三氧化二铝水溶液和0.45-0.65mol/L硬脂酸乙醇溶液按1:3-1:10容积比配比而成，电解液体积为80-150ml；室温下，以微结构铝合金板作为阳极，去除表面氧化层的铝合金板作为阴极对铝合金微结构表面进行阳极氧化处理，电压为18-25V，电解时间为60-120min，阳极氧化反应完成后，即可制备出具有微柱形阵列结构的仿生超疏水表面，随后用无水乙醇对表面进行冲洗，去除表面残留电解液。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金仿生防冰表面的制备方法，其特征在于：步骤B，所述圆柱形阵列结构的直径为50μm，相邻两个圆柱的圆心间距为100μm。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金仿生防冰表面的制备方法，其特征在于：步骤C，所述电解液由0.5mol/L三氧化二铝水溶液和0.5mol/L硬脂酸乙醇溶液按1:8容积比配比而成，电解液体积为100ml。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金仿生防冰表面的制备方法，其特征在于：步骤C，所述电压为20V，电解时间为120min。
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2017
- 2017-08-22 CN CN201710722231.7A patent/CN107723773A/zh active Pending
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