CN108941924A - 一种红外激光刻蚀铝合金微结构功能表面的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外激光刻蚀铝合金微结构功能表面的方法，该方法为：将铝合金样品依次使用无水乙醇和蒸馏水进行超声波清洗；用红外激光打标机在预处理铝合金表面刻蚀微结构，刻蚀出光栅状微结构，再依次使用无水乙醇和蒸馏水超声清洗去除熔渣，得修饰前刻蚀铝合金，放入0.1mol/L的硬脂酸无水乙醇溶液中恒温修饰，可制备出超疏水表面的铝合金。
Description
技术领域
本发明属于金属基表面改性技术领域，尤其涉及一种红外激光刻蚀铝合金微结构功能表面的方法。
背景技术
铝与铝合金是一种应用非常广泛的金属材料，因为具有密度小、比强度高、价格低廉且易于加工等特点，被广泛应用于航空航天、交通、机械制造和建筑工程等领域中。虽然铝合金自身具有良好的耐腐蚀性，但是在船舶和潜航行业，由于海水中溶解有各种盐分，存在各种离子，尤其是氯等还原性离子，会造成铝与铝合金表面耐腐蚀的氧化铝薄膜被电解，极大地降低铝合金的耐腐蚀性。由于船舶与潜艇长久的浸泡于海水中，会粘附有大量的海洋生物，增大航行过程的阻力，增加了航行和维护的成本。所以改变铝合金材料表面的亲水性，扩大铝合金材料在航海方面的应用，具有重要意义。
通过观察荷叶的表面结构，Barthlott等发现荷叶表面存在的微米和纳米级的结构以及外层的低表面能物质是荷叶具有超疏水性和自清洁性的关键。研究发现，当基体表面的水接触角大于150°，滑动角小于10°时，该表面具备超疏水性能。这一发现对仿生学有着重要的意义，引起了大量学者的极大的关注。通过模仿荷叶表面的微结构以及使用低表面能物质修饰，人们可以制备出人造超疏水表面。超疏水表面具有许多的优点，在防冰霜、防腐蚀、耐摩擦、滑移减阻、自清洁等方面具有巨大的应用价值。例如，在轴承表面构造微结构，可增加其耐摩擦性能，有效提高其使用寿命；在机械心脏瓣膜上制备超疏水表面，可以改善血液相容性，避免血栓的形成；在厨房、卫生洁具上使用超疏水技术，可以减少清洁剂和水资源的使用，节能环保；在船舶、深海潜水器上运用超疏水技术，可以减小水流阻力，增加耐腐蚀性，减少燃油的使用，降低成本；在电缆上运用超疏水材料，能大幅的增加其防覆冰性能，增强电网系统抵抗冰雪灾害的能力。因而，使用红外激光打标机在铝合金表面制备出具有超疏水性能的微结构功能表面，可以提高铝合金的耐摩擦、防腐蚀、防冰霜、自清洁、减阻等性能，扩大铝合金的运用场合。
目前，适用于金属基材的制备超疏水表面的方法主要是层层自组装法、激光刻蚀法、化学刻蚀法、电化学刻蚀法等。激光刻蚀法由于加工质量好，表面微结构稳定，加工过程可控，易于实现自动化等优点受到人们的大量关注。例如申请号为201510280015.2的专利公开了一种利用超快激光制备锌合金超疏水自清洁表面的方法，采用飞秒激光用特定的加工参数，无需表面修饰经过恒温保湿箱烘干后制备出超疏水表面。申请号为201510279954.5的专利公开了一种利用超快激光制备不锈钢超疏水自清洁表面的方法，采用在经过预处理的304不锈钢表面用超快激光刻蚀出纳米级的颗粒状、片状或凸起状结构，获得接触角大于150°的超疏水表面。申请号为201710470109.5的专利公开了一种铝合金表面超疏水微结构的纳秒激光二次扫描制备方法，采用纳秒激光在铝合金表面扫描两次从而制备出阵列锥形体与类似鸡蛋托盘状的微结构，使铝合金表面获得超疏水性能。上述的几种激光刻蚀方法均可以获得较好的超疏水表面，然而也存在一定的问题，如使用飞秒/纳秒激光器成本很高，加工效率低(两次扫描使得加工时间增长一倍)不适合批量生产。寻找出工艺简单成本低廉的方法制备出稳定的超疏水表面，将实验方法运用到工厂生产变得尤其重要。
发明内容
本发明的目的是解决飞秒/纳秒激光器成本很高，加工效率低的缺点，提供一种激光刻蚀铝合金微结构功能表面的方法。
为了实现以上的目的，本发明一种红外激光打标机制备铝合金超疏水功能表面的方法，采用以下步骤：
(1)预处理：将铝合金表面依次使用无水乙醇和蒸馏水超声清洗，干燥，得预处理铝合金；
(2)刻蚀：用红外激光打标机在步骤(1)所得预处理铝合金表面刻蚀微结构，得刻蚀铝合金；
(3)修饰前处理：将步骤(2)所得刻蚀铝合金依次使用无水乙醇和蒸馏水超声清洗去除熔渣，烘干，得修饰前刻蚀铝合金；
(4)表面修饰：将步骤(3)所得修饰前刻蚀铝合金浸入硬脂酸无水乙醇溶液中恒温修饰、清洗，烘干，既得超疏水表面的铝合金。
本发明优选的所述步骤(1)中超声清洗是将铝合金依次用无水乙醇和蒸馏水进行超声波清洗，清洗温度为50-65℃，单次清洗4-8min，在120-140℃的恒温烘箱内干燥10-15min。
本发明优选的所述步骤(2)刻蚀的工艺参数为，激光频率为20kHz、最大激光输出功率为30w、激光波长为1064nm，所述刻蚀工艺的扫描速度为10-500mm s-1、扫描间距为50-200μm、单次曝光时间为2-5ms。
优选的本发明所述步骤(3)的超声清洗条件为温度55-65℃，频率为36kHz，清洗时间为10-15min。
优选的本发明所述步骤(4)的修饰剂硬脂酸无水乙醇溶液的浓度为0.1mol/L，修饰时间为2-2.5h，恒温修饰的温度为60-70℃。
优选的本发明所述的铝合金为6061型号铝合金。
本发明还提供一种红外激光刻蚀铝合金微结构功能表面的方法在增加船舶的耐腐蚀性能中的应用。
本发明方法有益效果：
(1)无毒环保，不使用含氟修饰剂，不会对环境造成污染。表面修饰剂使用的是无水乙醇和硬脂酸溶液，对人体均无负面影响，也不会对生态环境造成破坏，符合绿色生产的原则。
(2)稳定性好，表面微结构与修饰材料不易脱落和磨损。采用红外激光打标机在铝合金表面刻蚀出的微结构与基体结合牢固，修饰材料通过羟基与铝合金表面结合不易脱落，因此制备的表面具有良好的超疏水性能。
(3)易于实现工业化生产，用时较短，无需苛刻的加工环境，生产效率高。激光打标机成本低廉，刻蚀铝合金表面的效率高，并且可通过计算机控制激光的运行轨迹，适用于工厂的规模化生产。制备一次试样的时间只需3-3.5h，在实际生产中通过自动化生产设备可以缩短生产时间。激光打标设备、接触角测量仪、恒温干燥箱、超声清洗机和玻璃器皿等购买一套只需十几万元，比飞秒激光等几百万元的设备更适用于工厂的规模化生产。
(4)加工后的表面具有规则的微结构，接触角可达156.4°。通过调整加工参数，可得到规则的光栅状的微结构表面，且表面的接触角大于150°，最高可达到156.4°。
附图说明
图1：红外激光刻蚀铝合金流程图；
图2：实施例1红外激光刻蚀铝合金微结构功能表面微观结构图；
图3：实施例1红外激光刻蚀的铝合金微结构功能表面接触角示意图；
图4：实施例2红外激光刻蚀铝合金微结构功能表面微观结构图；
图5：实施例2红外激光刻蚀的铝合金微结构功能表面的接触角示意图；
图6：对比例1红外激光刻蚀铝合金微结构表面微观结构图；
图7：对比例1红外激光刻蚀的铝合金表面的接触角示意图；
图8：对比例2红外激光刻蚀铝合金表面微观结构图；
图9：对比例2红外激光刻蚀的铝合金表面的接触角示意图；
具体实施方式
下列实施例将进一步详细说明本发明，但本发明的内容并不局限于此，所述实验方法若无特别说明均为常规方法，所述材料和试剂若无特殊说明可从普通渠道获得。图1为红外激光打标机刻蚀铝合金流程图。首先通过计算机上的专业软件设置好激光加工的各项参数，生成数据文件；然后通过执行模块将数据文件传输给控制单元，一方面控制单元根据数据文件中的激光频率、功率参数使激光发生器产生能量束；另一方面控制单元向振镜反射系统传输指令，控制激光能量束按照设定好的轨迹行走，对表面微结构实现精确控制。
实施例1
本实施例的红外激光刻蚀铝合金微结构功能表面的方法，包括如下步骤：
(1)预处理：将20mm×20mm×2mm的6061铝合金样品依次使用无水乙醇和蒸馏水进行超声波清洗，清洗温度为55℃，单次清洗4min，所述烘干条件为在130℃的恒温烘箱内干燥15min，得预处理铝合金；
(2)刻蚀：用红外激光打标机在步骤(1)所得预处理铝合金表面刻蚀微结构，激光刻蚀的工艺参数为：激光频率20kHz、最大激光输出功率30w、激光波长1064nm，扫描速度100mm s-1、扫描间距200μm、单次曝光时间为4ms，刻蚀出光栅状微结构，得刻蚀铝合金；
(3)修饰前处理：将步骤(2)所得刻蚀铝合金依次使用无水乙醇和蒸馏水超声清洗去除熔渣，清洗条件为温度60℃，频率为36kHz，清洗时间为15min，清洗后烘干，得修饰前刻蚀铝合金；
(4)表面修饰：将步骤(3)所得修饰前刻蚀铝合金放入0.1mol/L的硬脂酸无水乙醇溶液中恒温修饰，温度为65℃，修饰时间为2h，清洗烘干后，可制备出超疏水表面的铝合金。
本实例刻蚀出的铝合金微结构功能表面微观结构图如图2所示，表面呈微米级光栅粗糙结构。本实例刻蚀出的铝合金微结构功能表面的接触角如图3所示，水接触角为156.4°。
实施例2
本实施例的红外激光刻蚀铝合金微结构功能表面的方法，包括如下步骤：
(1)预处理：将20mm×20mm×2mm的6061铝合金样品依次使用无水乙醇和蒸馏水进行超声波清洗，清洗温度为50℃，单次清洗6min，所述烘干条件为在130℃的恒温烘箱内干燥10min，得预处理铝合金；
(2)刻蚀：用红外激光打标机在步骤(1)所得预处理铝合金表面刻蚀微结构，激光刻蚀的工艺参数为，激光频率为20kHz、最大激光输出功率为30w、激光波长为1064nm，扫描速度为50mm s-1、扫描间距为200μm、单次曝光时间为5ms，刻蚀出光栅状微结构，得刻蚀铝合金；
(3)修饰前处理：将步骤(2)所得刻蚀铝合金依次使用无水乙醇和蒸馏水超声清洗去除熔渣，清洗条件为温度55℃，频率为36kHz，清洗时间为15min，清洗后烘干，得修饰前刻蚀铝合金；
(4)表面修饰：将步骤(3)所得修饰前刻蚀铝合金放入0.1mol/L的硬脂酸无水乙醇溶液中恒温修饰，温度为60℃，修饰时间为2.5h，清洗烘干后，可制备出超疏水表面。
本实例刻蚀出的铝合金微结构功能表面微观结构图如图4所示，表面呈微米级光栅粗糙结构。本实例刻蚀出的铝合金微结构功能表面的接触角如图5所示，水接触角为150.69°。
以上所描述的具体实施例应当理解为仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
对比例1：改变刻蚀工艺参数，其他步骤同实施例1
本对比例的红外激光刻蚀铝合金微结构表面的方法，包括如下步骤：
(1)预处理：将20mm×20mm×2mm的6061铝合金样品依次使用无水乙醇和蒸馏水进行超声波清洗，清洗温度为55℃，单次清洗4min，所述烘干条件为在130℃的恒温烘箱内干燥15min，得预处理铝合金；
(2)刻蚀：用红外激光打标机在步骤(1)所得预处理铝合金表面刻蚀微结构，激光刻蚀的工艺参数为：激光频率25kHz、最大激光输出功率10w、激光波长1064nm，扫描速度600mm s-1、扫描间距300μm、单次曝光时间为4ms，刻蚀出光栅状微结构，得刻蚀铝合金；
(3)修饰前处理：将步骤(2)所得刻蚀铝合金依次使用无水乙醇和蒸馏水超声清洗去除熔渣，清洗条件为温度60℃，频率为36kHz，清洗时间为15min，清洗后烘干，得修饰前刻蚀铝合金；
(4)表面修饰：将步骤(3)所得修饰前刻蚀铝合金放入0.1mol/L的硬脂酸无水乙醇溶液中恒温修饰，温度为65℃，修饰时间为2h，清洗烘干后，制备出铝合金微结构表面。
本对比例刻蚀出的铝合金微结构表面微观结构图如图6所示，表面呈微米级粗糙结构。本对比例刻蚀出的铝合金微结构表面的接触角如图7所示，水接触角为125.76°。
对比例2：改变刻蚀工艺参数，其他步骤同实施例1
本对比例的红外激光刻蚀铝合金微结构表面的方法，包括如下步骤：
(1)预处理：将20mm×20mm×2mm的6061铝合金样品依次使用无水乙醇和蒸馏水进行超声波清洗，清洗温度为55℃，单次清洗4min，所述烘干条件为在130℃的恒温烘箱内干燥15min，得预处理铝合金；
(2)刻蚀：用红外激光打标机在步骤(1)所得预处理铝合金表面刻蚀微结构，激光刻蚀的工艺参数为：激光频率25kHz、最大激光输出功率10w、激光波长1064nm，扫描速度800mm s-1、扫描间距20μm、单次曝光时间为4ms，刻蚀出微结构，得刻蚀铝合金；
(3)修饰前处理：将步骤(2)所得刻蚀铝合金依次使用无水乙醇和蒸馏水超声清洗去除熔渣，清洗条件为温度60℃，频率为36kHz，清洗时间为15min，清洗后烘干，得修饰前刻蚀铝合金；
(4)表面修饰：将步骤(3)所得修饰前刻蚀铝合金放入0.1mol/L的硬脂酸无水乙醇溶液中恒温修饰，温度为65℃，修饰时间为2h，清洗烘干后，制备出铝合金微结构表面。
本对比例刻蚀出的铝合金微结构表面微观结构图如图8所示，表面呈微米级不规则粗糙结构。本对比例刻蚀出的铝合金微结构表面的接触角如图9所示，水接触角为135.22°。
比较实施例和对比例制备的铝合金微结构表面，可知实施例制备的微结构功能表面形貌规整，水接触角高分别为156.4°和150.69°，平均接触角高于150°。对比例制备的微结构表面形貌不规则，水接触角较低仅有125.76°和135.22°，平均接触角不到135°，说明本发明特定的刻蚀参数方法在制备铝合金微结构表面效果较好。
采用本发明方法制备的铝合金微结构表面在船舶中应用效果较好，特别是海水对船舶的耐腐蚀性能效果较好。
Claims (8)
1.一种红外激光刻蚀铝合金微结构功能表面的方法，其特征在于，该方法由以下步骤组成：
(1)预处理：将铝合金表面依次使用无水乙醇和蒸馏水超声清洗，干燥，得预处理铝合金；
(2)刻蚀：用红外激光打标机在步骤(1)所得预处理铝合金表面刻蚀微结构，得刻蚀铝合金；
(3)修饰前处理：将步骤(2)所得刻蚀铝合金依次使用无水乙醇和蒸馏水超声清洗去除熔渣，烘干，得修饰前刻蚀铝合金；
(4)表面修饰：将步骤(3)所得修饰前刻蚀铝合金浸入硬脂酸无水乙醇溶液中恒温修饰、清洗，烘干，既得超疏水表面的铝合金。
2.根据权利要求1所述的红外激光刻蚀铝合金微结构功能表面的方法，其特征在于，所述步骤(1)中超声清洗是将铝合金依次用无水乙醇和蒸馏水进行超声波清洗，清洗温度为50-65℃，单次清洗4-8min，在120-140℃的恒温烘箱内干燥10-15min。
3.根据权利要求1所述的红外激光刻蚀铝合金微结构功能表面的方法，其特征在于，所述步骤(2)刻蚀的工艺为，激光频率为20kHz、最大激光输出功率为30w、激光波长为1064nm。
4.根据权利要求3所述的红外激光刻蚀铝合金微结构功能表面的方法，其特征在于，所述刻蚀工艺的扫描速度为10-500mm s-1、扫描间距为50-200μm、单次曝光时间为2-5ms。
5.根据权利要求1所述的红外激光刻蚀铝合金微结构功能表面的方法，其特征在于，所述步骤(3)的超声清洗条件为温度55-65℃，频率为36kHz，清洗时间为10-15min。
6.根据权利要求1所述的红外激光刻蚀铝合金微结构功能表面的方法，其特征在于，所述步骤(4)的修饰剂硬脂酸无水乙醇溶液的浓度为0.1mol/L，修饰时间为2-2.5h，恒温修饰的温度为60-70℃。
7.根据权利要求1-6任一项所述的红外激光刻蚀铝合金微结构功能表面的方法，其特征在于，所述的铝合金为6061型号铝合金。
8.根据权利要求1-6任一项所述的红外激光刻蚀铝合金微结构功能表面的方法在增加船舶的耐腐蚀性能中的应用。
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