CN108394035A - 一种具有疏水性微结构的钛硅碳陶瓷结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有疏水性微结构的钛硅碳陶瓷结构，包括钛硅碳陶瓷工件，所述钛硅碳陶瓷工件的工作面上均匀设置有由若干平行工作面长度方向的纵向微沟槽结构组成的微槽阵列结构，所述纵向微沟槽结构的深度为50～200µm，各个微沟槽结构的间距为60～1000µm。本发明还公开了一种具有疏水性微结构的钛硅碳陶瓷结构的制备方法。本发明效果如下：（1）微细电火花放电加工，可以加工出高质量、形状规则整齐的微沟槽结构，且有较高的形状精度；（2）本发明的加工方法可在其表面加工出微沟槽结构，微尺度可控制到数百微米乃至数微米，也可控制形状特征；（3）与传统的陶瓷工件相比，具有微结构阵列的陶瓷工件具有较好的疏水性功能。
Description
技术领域
本发明涉及精密微细制造领域，具体涉及一种具有疏水性微结构的钛硅碳陶瓷结构及其制备方法。
背景技术
钛硅碳（Ti3SiC2）陶瓷，它具有陶瓷的高熔点、高化学稳定性、高耐磨性等特点，而且它还具有金属的导电性、导热性、高韧性、高温塑性及很好的可加工性。它是一种具有金属性的“软”陶瓷，具有很广阔的应用前景。
在化学里，疏水性指的是一个分子与水互相排斥的物理性质。性质理论根据热力学的理论，物质会寻求存在于最低能量的状态，而氢键便是个可以减少化学能的办法。水是极性物质，并因此可以在内部形成氢键，这使得它有许多独别的性质。但是，因为疏水物不是电子极化性的，它们无法形成氢键，所以水会对疏水物产生排斥，而使水本身可以互相形成氢键。这即是导致疏水作用的疏水效应，因此两个不相溶的相态将会变化成使其界面的面积最小时的状态。这一效应可以在相分离的现象中被观察到。
高度疏水性表面已经在自然界中得到认识，或许最普遍的是荷叶以及蝉翼上的表面。由于具有疏水性特性，因此荷叶能够通过在水滴滑离其表面时冲洗掉粉尘粒子和碎屑来进行自动清洁。这种自动清洁的能力在许多现代应用中是合乎需要的。目前，针对陶瓷材料钛硅碳陶瓷的疏水性研究尚处在萌芽阶段，针对这种情况，申请人率先在钛硅碳陶瓷应用领域展开疏水性研究，并取得了不错的成绩。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有疏水性微结构的钛硅碳陶瓷结构及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种具有疏水性微结构的钛硅碳陶瓷结构，包括钛硅碳陶瓷工件，所述的钛硅碳陶瓷工件的工作面上均匀设置有由若干平行工作面长度方向的纵向微沟槽结构组成的微槽阵列结构，所述纵向微沟槽结构的深度为 50～200µm，各个微沟槽结构的间距为60～1000µm。
作为优选方案，所述的纵向微沟槽结构的横截面为V形或矩形，当所述的纵向微沟槽结构的横截面为V形时，其夹角为30～90°。
作为优选方案，所述钛硅碳陶瓷工作面还设置有若干垂直于所述钛硅碳陶瓷工作面长度方向的横向微沟槽结构，所述横向微沟槽结构的深度为 500～700µm，各个横向微沟槽结构的间距为60～700µm。
作为优选方案，所述的横向微沟槽结构的横截面为V形或矩形，当所述的横向微沟槽结构的横截面为V形时，其夹角为30～90°。
作为优选方案，所述钛硅碳陶瓷工作面尺寸为：15～80 mm×5～30mm。
一种如所述具有疏水性微结构的钛硅碳陶瓷结构的制备方法，包括步骤：
步骤一、选定钛硅碳陶瓷工作面，所述的工作面包括平面、规则表面或不规则表面；
步骤二、设计微沟槽结构和加工路径；
步骤三、利用慢走丝线切割的电火花放电加工方法加工微槽阵列结构：按照设计的微沟槽结构和加工路径，在慢走丝电火花加工机床上将钛硅碳陶瓷工作面上通过电火花放电加工方法加工出微槽阵列结构。
作为优选方案，选定钛硅碳陶瓷工作面时，首先考虑平面，其次考虑规则表面，最后考虑不规则表面。
作为优选方案，设计微沟槽结构加工路径时考虑从上到下、从左到右便于加工的原则；设计微沟槽结构加工路径前，针对不同的钛硅碳陶瓷工作面建立路径数据库，设计微沟槽结构加工路径时首先从已有的路径数据库中调取，若没有，则新设计微沟槽结构加工路径并保存至路径数据库中。
作为优选方案，所述钛硅碳陶瓷工件固定在水平工作台上，电极丝以固定的进给深度对钛硅碳陶瓷工件的工作面加工微沟槽阵列，所述电极丝在钛硅碳陶瓷工件的工作面的行走路径为直线往复运动，进给深度为1～5µm，进给速度为100～500mm/min。
作为优选方案，所述电火花放电加工方法的加工工艺参数为包括：脉冲放电加工的开路电压为50～200V，电流为1～10A，脉冲宽度为1～100µs，脉冲间隔为1～100µs。
相比现有技术，本发明的有益效果是：
（1）所用的加工方法为微细电火花放电加工，可以加工出高质量、形状规则整齐的微沟槽结构，而且有较高的形状精度；
（2）与其他微细结构加工方法相比，本发明的加工方法都可在其表面加工出微沟槽结构，微尺度可控制到数百微米乃至数微米，也可控制形状特征；
（3）与传统的陶瓷工件相比，具有微结构阵列的陶瓷工件具有较好的疏水性功能。
附图说明
图1为本发明实施例中具有疏水性微结构的钛硅碳陶瓷结构的几何结构图。
图2为本发明实施例中具有疏水性微结构的钛硅碳陶瓷结构表面的接触角测量示意图。
具体实施方式
为更好理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。其它任何未背离本发明原理下所作的形状以及加工方向和路径的改变、修饰，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
实施例
如图1所述，一种具有疏水性微结构的钛硅碳陶瓷结构，包括钛硅碳陶瓷工件，所述钛硅碳陶瓷工件的工作面的长度为15～80 mm，宽度为5～30mm，所述的钛硅碳陶瓷工件的工作面上均匀设置有由若干平行工作面长度方向的纵向微沟槽结构组成的微槽阵列结构，所述纵向微沟槽结构的深度d为 50～200µm，比如深度d采用50µm、60µm、80µm、100µm、150µm、200µm等；各个微沟槽结构的间距p为60～1000µm，比如间距p采用120µm、240µm、360µm、480µm、560µm、680µm、720µm、840µm、960µm等。
所述的纵向微沟槽结构的横截面为V形或矩形，本实施例采用V形，其夹角a为60°，当然，也可以采用30°～90°中的其他角度，如夹角a采用30°、45°、70°.....90°。
在一个优选实施例中，所述钛硅碳陶瓷工作面还设置有若干垂直于所述钛硅碳陶瓷工作面长度方向的横向微沟槽结构，所述横向微沟槽结构的深度d为 500～700µm，比如深度d采用500µm、600µm、700µm等，各个横向微沟槽结构的间距p为60～700µm，比如间距p采用60µm、100µm、360µm、480µm、560µm、680µm、700µm等。
所述的横向微沟槽结构的横截面为V形或矩形，本实施例采用V形，其夹角a为60°，当然，夹角a也可以采用30°～90°中的其他角度，如夹角a采用30°、45°、70°.....90°。
一种如所述具有疏水性微结构的钛硅碳陶瓷结构的制备方法，包括步骤：
步骤一、选定钛硅碳陶瓷工作面，所述的工作面包括平面、规则表面或不规则表面，选定钛硅碳陶瓷工作面时，首先考虑平面，其次考虑规则表面，最后考虑不规则表面；
步骤二、设计微沟槽结构和加工路径，作为优选方案，设计微沟槽结构加工路径时考虑从上到下、从左到右便于加工的原则；设计微沟槽结构加工路径前，针对不同的钛硅碳陶瓷工作面建立路径数据库，设计微沟槽结构加工路径时首先从已有的路径数据库中调取，若没有，则新设计微沟槽结构加工路径并保存至路径数据库中；
步骤三、利用慢走丝线切割的电火花放电加工方法加工微槽阵列结构：按照设计的微沟槽结构和加工路径，在慢走丝电火花加工机床上将钛硅碳陶瓷工作面上通过电火花放电加工方法加工出微槽阵列结构；
具体而言，加工时，所述钛硅碳陶瓷工件固定在水平工作台上，电极丝以固定的进给深度对钛硅碳陶瓷工件的工作面加工微沟槽阵列，所述电极丝在钛硅碳陶瓷工件的工作面的行走路径为直线往复运动，进给深度为1～5µm，进给速度为100～500mm/min。所述电火花放电加工方法的加工工艺参数为包括：脉冲放电加工的开路电压为50～200V，电流为1～10A，脉冲宽度为1～100µs，脉冲间隔为1～100µs。
在一个优选实施例中，将尺寸为15×15×5 mm的钛硅碳陶瓷工件安装在三轴数控联动慢走丝线切割机床(日本Sodick，AP250LS)的水平工作台上，然后将直径为50微米的黄铜丝电极作为阳极，钛硅碳陶瓷工件作为阴极，在电极与钛硅碳陶瓷工件之间施加脉冲放电，放电电压设为70 V，放电间隙设为 0.034 mm。设定沟槽间距p为100 µm，设定沟槽加工深度为60 µm，从而利用黄铜丝电极按照V形插补的数控切割轨迹在钛硅碳陶瓷表面通过电火花放电加工出微沟槽阵列结构。由于钛硅碳陶瓷工件安装误差及对刀误差，使得最后加工出的钛硅碳陶瓷工件工作面的沟槽间距为80.2 µm，沟槽深度为45.6 µm，微沟槽结构表面的表面粗糙度R a 为1.79 µm，此时通过接触角测量仪测得钛硅碳微沟槽结构表面的接触角为140.5度（见图2），接近超疏水状态。因此，可以通过电火花线切割方法在钛硅碳陶瓷表面加工出疏水性微结构表面。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有疏水性微结构的钛硅碳陶瓷结构，包括钛硅碳陶瓷工件，其特征在于：所述的钛硅碳陶瓷工件的工作面上均匀设置有由若干平行工作面长度方向的纵向微沟槽结构组成的微槽阵列结构，所述纵向微沟槽结构的深度为 50～200µm，各个微沟槽结构的间距为60～1000µm。
2.根据权利要求1所述的具有疏水性微结构的钛硅碳陶瓷结构，其特征在于：所述的纵向微沟槽结构的横截面为V形或矩形，当所述的纵向微沟槽结构的横截面为V形时，其夹角为30～90°。
3.根据权利要求1或2所述的具有疏水性微结构的钛硅碳陶瓷结构，其特征在于：所述钛硅碳陶瓷工作面还设置有若干垂直于所述钛硅碳陶瓷工作面长度方向的横向微沟槽结构，所述横向微沟槽结构的深度为 500～700µm，各个横向微沟槽结构的间距为60～700µm。
4.根据权利要求3所述的具有疏水性微结构的钛硅碳陶瓷结构，其特征在于：所述的横向微沟槽结构的横截面为V形或矩形，当所述的横向微沟槽结构的横截面为V形时，其夹角为30～90°。
5.根据权利要求1所述的具有疏水性微结构的钛硅碳陶瓷结构，其特征在于：所述钛硅碳陶瓷工作面尺寸为：15～80 mm×5～30mm。
6.一种如权利要求1至5中任一项所述具有疏水性微结构的钛硅碳陶瓷结构的制备方法，其特征在于，包括步骤：
步骤一、选定钛硅碳陶瓷工作面，所述的工作面包括平面、规则表面或不规则表面；
步骤二、设计微沟槽结构和加工路径；
步骤三、利用慢走丝线切割的电火花放电加工方法加工微槽阵列结构：按照设计的微沟槽结构和加工路径，在慢走丝电火花加工机床上将钛硅碳陶瓷工作面上通过电火花放电加工方法加工出微槽阵列结构。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：选定钛硅碳陶瓷工作面时，首先考虑平面，其次考虑规则表面，最后考虑不规则表面。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：设计微沟槽结构加工路径时考虑从上到下、从左到右便于加工的原则；设计微沟槽结构加工路径前，针对不同的钛硅碳陶瓷工作面建立路径数据库，设计微沟槽结构加工路径时首先从已有的路径数据库中调取，若没有，则新设计微沟槽结构加工路径并保存至路径数据库中。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述钛硅碳陶瓷工件固定在水平工作台上，电极丝以固定的进给深度对钛硅碳陶瓷工件的工作面加工微沟槽阵列，所述电极丝在钛硅碳陶瓷工件的工作面的行走路径为直线往复运动，进给深度为1～5µm，进给速度为100～500mm/min。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述电火花放电加工方法的加工工艺参数为包括：脉冲放电加工的开路电压为50～200V，电流为1～10A，脉冲宽度为1～100µs，脉冲间隔为1～100µs。
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