CN109719395A - 一种改性镍基材表面及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种改性镍基材表面及其制备方法与应用，方法包括如下步骤：(1)将待处理的镍基材表面进行抛光预处理，清洗、干燥后得到洁净的表面抛光后的镍板样品；(2)采用脉冲激光器对镍板样品表面进行激光扫描处理，在样品表面加工出多个微纳结构，放入电热真空干燥箱内烘烤，即得到镍板超疏水表面；(3)在所得的镍板超疏水冷凝表面经激光加工处理出楔形或三角形并列连接的超亲水表面，即得到超疏水‑超亲水楔形或三角形相间的表面。该制备方法无化学修饰，工艺简单，操作方便，成本低，制得的镍基材表面为超疏水‑超亲水楔形或三角形相间的表面，非常利于滴状冷凝过程的实现和持续进行，具备优异的冷凝性能，提高了冷凝管的冷凝效率。
Description
技术领域
本发明涉及表面制备技术领域，尤其涉及一种改性镍基材表面及其制备方法。
背景技术
冷凝管是一种用作促成冷凝作用的设备，通常由双层玻璃管组成，它是利用热交换原理使蒸汽冷却凝结为液体的一种玻璃仪器。因为玻璃管直径有限，高温的气体或液体流经内管接触面积有限，以致热交换不充分，最终冷凝效率不高，若使传热设备的尺寸增大，则会大幅增加冷凝成本。传统冷凝管如：玻璃、铜及不锈钢材料的表面表现出亲水性(本征接触角小于90°)，不利于表面凝结液滴的脱落。目前，对于金属材料表面的改性已越来越普遍。用激光技术加工镍板冷凝表面，使镍板冷凝表面在冷凝过程中依然保持超疏水特性而提高冷凝效率，非常具有应用前景。在电厂冷却塔的热交换器中，传统的冷却塔是利用水与空气流动接触后进行冷热交换产生蒸汽，蒸汽挥发带走热量达到蒸发散热、对流传热和辐射传热等原理来散去工业上或制冷空调中产生的余热来降低水温的蒸发散热装置，以保证系统的正常运行，装置一般为桶状，故名为冷却塔。传统的冷却塔的水与空气流动接触后进行冷热交换需要较大的传热设备，加大设备的尺寸及总量。
公告号为CN2539129的专利公开了一种镍磷合金表面改性管换热器。它是在原有汽、水管式换热器基础上，在换热管的中间表面上镀上了一层镍磷合金镀层，水蒸汽在镍磷合金的换热管表面上呈珠状冷凝，大大提高换热效率和换热器寿命。然而该方法制成的改性管换热器冷凝效率并不高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供了一种改性镍基材表面及其制备方法与应用，该制备方法无化学修饰，工艺简单，操作方便，效率高，能耗少，成本低，制得的镍基材表面为超疏水-超亲水楔形或三角形相间的表面，非常利于滴状冷凝过程的实现和持续进行，具备优异的冷凝性能，大大增加了镍板换热率，提高了冷凝管的冷凝效率。
本发明是这样实现的：
本发明的目的之一在于提供了一种改性镍基材表面的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1、将待处理的镍基材表面进行抛光预处理，清洗、干燥后得到洁净的表面抛光后的镍板样品；
步骤2、采用脉冲激光器对步骤1所得的镍板样品表面进行激光扫描处理，在样品表面加工出多个微纳结构，再放入电热真空干燥箱内烘烤，即得到镍板超疏水表面；
步骤3、在步骤2所得的镍板超疏水冷凝表面经激光加工处理出的镍板超亲水表面，所述镍板超亲水表面与镍板超疏水表面交替连接形成多个子阵列，所述子阵列中镍板超亲水表面与镍板超疏水表面均为楔形或三角形，相邻两个所述子阵列之间设有超亲水汇集区，即得到超疏水-超亲水楔形或三角形相间的表面。
具体地，所述子阵列若是横向排列，相邻两个所述子阵列之间设有镍板超亲水汇集区则为竖向设置的，超亲水汇集区为镍板超亲水表面，且镍板超亲水汇集区的形状可以是任意的，可以是长方形、三角形、楔形等等。其中子阵列中的楔形或三角形的镍板超亲水表面沿着水流的方向其面积是逐渐增大的，这样方便水流汇集在超亲水汇集区。
具体地，所述子阵列若是纵向排列，相邻两个所述子阵列之间设有镍板超亲水汇集区则为横向设置的，超亲水汇集区为镍板超亲水表面，且镍板超亲水汇集区的形状可以是任意的，可以是长方形、三角形、楔形等等。其中子阵列中的楔形或三角形的镍板超亲水表面沿着水流的方向其面积是逐渐增大的，这样方便水流汇集在超亲水汇集区。
优选地，所述超疏水表面有微纳米二元表面结构，且滚动角小于10°，所述超疏水表面与位于其上的液体之间形成的接触角大于150°；所述超亲水表面与位于其上的液体之间形成的接触角为0°。
所述超疏水表面与位于其上的液体之间形成的接触角最大可达158.0°，最小滚动角为3°，因此具有非常好的超疏水性能(液-固界面接触角大于150°即为超疏水)，且在冷凝过程中依然保持超疏水-超亲水特性。
优选地，所述步骤1中所述的抛光预处理采用功率为370W、研磨盘转速为450转/分、研磨盘直径为230mm的金相试样预磨机，且抛光预处理过程用直径为200mm、1000目的SiC水砂纸在所述镍基材表面进行抛光处理，抛光范围是100cm2，抛光时间10-20分钟。
优选地，所述步骤1中清洗、干燥的具体步骤为：将抛光后的镍板样品放在盛有去离子水的超声波清洗仪中清洗，清洗干净后，将所述镍板样品表面用冷风吹干或室温自然晾干，得到洁净的表面抛光后的镍板样品。
更为优选地，所述超声清洗仪的超声频率为40kHz，所述去离子水电阻率为18.25兆欧，所述去离子水将镍板样品表面淹没，在室温下连续清洗20-60分钟。
优选地，所述步骤2与步骤3中所用的激光为超短脉冲激光器，其波长小于1550nm，其重复频率为70kHz-1000kHz；所述步骤2与步骤3中所用的激光加工参数为：脉宽为10ns-500ns，单脉冲能量小于1.1mJ。
更为优选地，所述步骤2与步骤3中所用的激光为超短脉冲激光器，其波长为1064nm，其重复频率为40kHz-200kHz；所述步骤2与步骤3中所用的激光加工参数为：脉宽为30ns-60ns，所述单脉冲能量为0.4mJ-0.8mJ。
所述激光扫描采用多棱镜装置进行光束扫描，多棱镜扫描的速度为1m/s-800m/，激光的通断及多棱镜装置的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定；
或所述激光扫描使用运动平台装置实现，将光束固定，样品相对光束运动，平台运动的速度为0.1mm/s-3m/s，激光的通断、平台运动轨迹和速度均由计算机程序控制和设定；
优选地，所述激光扫描速度为500mm/s-2000mm/s。更为优选地，所述扫描速度为800mm/s-1200mm/s。
优选地，所述步骤2中，制备完毕后用锡箔纸包裹，并放入封口样品袋中，再放入电热真空干燥箱内烘烤，所述电热真空干燥箱内压力为普通大气压，湿度为40％-60％RH，温度为100℃-250℃，所述样品烘烤的时间为12-24小时，所述电热真空干燥箱内的温度误差为±1℃。
更为优选地，所述恒温恒湿电热干燥箱内的湿度为45％RH，温度为120℃，烘烤的时间为20小时。
本发明的目的之二在于提供了一种所述方法制备得到的改性镍基材表面。
本发明的目的之三在于提供了所述的改性镍基材表面在提高冷凝传热效率中的应用。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明提供的一种改性镍基材表面的制备方法，无化学修饰，工艺简单，操作方便，效率高，能耗少，成本低，且本发明方法的工艺参数容易控制，易于实现工业应用。
2、本发明提供的一种改性镍基材表面，为超疏水-超亲水楔形或三角形相间的表面，非常利于滴状冷凝过程的实现和持续进行；所述超疏水表面与位于其上的液体之间形成的接触角最大可达158.0°，最小滚动角为3.1°，因此具有非常好的超疏水性能(液-固界面接触角大于150°即为超疏水)，且在冷凝过程中依然保持超疏水-超亲水特性。
3、本发明提供的一种改性镍基材表面在提高冷凝传热效率中的应用，采用本发明方法制备得到的超疏水-超亲水镍板金属表面用于冷凝管或其他冷凝金属上，具备优异的冷凝性能，大大增加了镍板换热率，提高了冷凝管的冷凝效率。
附图说明
图1为本发明实验例1提供的改性镍基材表面的超疏水表面部分冷凝表面的接触角示意图；
图2为本发明实施例1提供的改性镍基材表面的扫描电镜图；
图3为本发明实施例提供的改性镍基材表面的结构示意图；其中A为镍板超亲水表面，B为镍板超疏水表面。
具体实施方式
实施例1
本发明实施例提供一种改性镍基材表面及其制备方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1、将镍板抛光，选用功率为370W，研磨盘转速为450转/分，研磨盘直径为230mm的金相试样预磨机，抛光过程需要辅助直径为200mm、1000目的SiC水砂纸在所述镍板表面进行抛光处理，抛光范围为100cm2，抛光时间10分钟，得到表面抛光后的镍板样品；
将所述表面抛光后的镍板样品用超声波清洗仪清洗，超声波清洗仪超声波频率为40kHz，用电阻率为18.25兆欧的去离子水淹没样品表面，在室温下，连续清洗30分钟，室温自然晾干，得到洁净的镍板样品；
步骤2、采用短脉冲激光器，激光器波长为1064nm，对所述得到的洁净镍板样品表面进行激光扫描加工，在样品表面加工出无数的微结构；所述激光器脉宽为40ns，单脉冲能量为0.68mJ，重复频率为81kHz，所述激光扫描利用X-Y扫描振镜系统，使激光束以1002mm/s的速度逐行逐列烧蚀所述镍板样品表面；所述振镜系统由X-Y光学扫描头、电子驱动放大器、光学反射镜片和场镜组成，所述振镜系统的扫描范围和速度、线扫描和面扫描路径均由电脑进行控制和设定，所述电脑提供的信号通过驱动放大电路驱动光学扫描头，从而在X-Y平面控制激光束的偏转，样品相对于激光光束沿x方向移动，通过控制移动速度和激光脉冲重复频率，使其脉冲重合度达到1％-99％，完成移动后，再沿y方向单步步进，通过控制步进距离，使其光束重合度在y方向达到1％-99％，工作台反转，所述样品加工范围为100mm×100mm；
样品经过所述激光加工后，将经过加工后的样品放入电热干燥箱里烘烤，在气压为普通大气压下，湿度为45％RH，温度为120℃条件下恒温烘烤20小时，得到所述的镍板超疏水促冷凝表面。
步骤3、在步骤2所得的镍板超疏水冷凝表面经激光加工处理出的镍板超亲水表面，所述镍板超亲水表面与镍板超疏水表面交替连接形成多个子阵列，所述子阵列中镍板超亲水表面与镍板超疏水表面均为楔形或三角形，相邻两个所述子阵列之间设有超亲水汇集区，即得到超疏水-超亲水楔形或三角形相间的表面。
实施例2
本实施例的改性镍基材表面的制备方法，除步骤2与步骤3中所述激光器脉宽为60ns，单脉冲能量为0.8mJ，重复频率为200kHz；其余同实施例1。
实施例3
本实施例的改性镍基材表面的制备方法，除步骤2与步骤3中所述激光器脉宽为30ns，单脉冲能量为0.4mJ，重复频率为40kHz；其余同实施例1。
对比例1
该对比例为未进行处理的镍基材表面。
对比例2
该对比例为仅有镍板超疏水表面的镍基材表面。
实验例
1、扫描电镜图(SEM)
将实施例1中得到的改性镍基材表面进行扫描，扫描电镜图(SEM)如图2所示，实施例2-实施例3的改性镍基材表面的SEM图与实施例1类似，所以不重复赘述，图中未示。
2、冷凝测试
将实施例1-实施例3的改性镍基材表面，以及对比例1-2的镍基材表面进行冷凝测试。采用电阻率为18.25兆欧的去离子水，利用光学接触角表面界面张力测量仪测试所述得到的镍板超疏水性促冷凝表面的接触角：采用接取法测量，在加液针头下形成所需体积的悬挂液滴，调节样品平台的Z轴使样品表面上升，当样品表面与加液针头下悬挂的液滴底部接触时，液滴就从加液针头转移到样品表面，然后再通过调节样品台Z轴使样品表面下降到原来的位置进行测量，由于制备得到的镍板表面超疏水性能优异，3-8微升的水滴无法附着，所以水滴体积为9微升，测试温度为25.5℃，湿度为19.5％RH。
表1为本发明实施例1制备得到的改性镍基材表面，以及对比例1的镍基材表面的接触角、滚动角以及冷凝效率的测试对比结果。
表1
| 实施例 | 接触角/° | 滚动角/° | 冷凝效率/W/㎡·K |
| 实施例1 | 158.0° | 3.1 | 93.476 |
| 实施例2 | 157.3° | 5.4 | 89.814 |
| 实施例3 | 154.2° | 4.8 | 88.689 |
| 对比例1 | 70.3 | 无 | 40.861 |
| 对比例2 | 155.6 | 3.6 | 63.33 |
由表1可知，实施例1-实施例3制备得到的改性镍基材表面为超疏水-超亲水楔形或三角形相间的表面，非常利于滴状冷凝过程的实现和持续进行；具有非常好的超疏水性能，且在冷凝过程中依然保持超疏水-超亲水特性，冷凝效率高达93.476W/㎡·K。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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)
1.一种改性镍基材表面的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1、将待处理的镍基材表面进行抛光预处理，清洗、干燥后得到洁净的表面抛光后的镍板样品；
步骤2、采用脉冲激光器对步骤1所得的镍板样品表面进行激光扫描处理，在样品表面加工出多个微纳结构，再放入电热真空干燥箱内烘烤，即得到镍板超疏水表面；
步骤3、在步骤2所得的镍板超疏水冷凝表面经激光加工处理出的镍板超亲水表面，所述镍板超亲水表面与镍板超疏水表面交替连接形成多个子阵列，所述子阵列中镍板超亲水表面与镍板超疏水表面均为楔形或三角形，相邻两个所述子阵列之间设有超亲水汇集区，即得到超疏水-超亲水楔形或三角形相间的表面。
2.如权利要求1所述的改性镍基材表面的制备方法，其特征在于，所述超疏水表面有微纳米二元表面结构，且滚动角小于10°，所述超疏水表面与位于其上的液体之间形成的接触角大于150°；所述超亲水表面与位于其上的液体之间形成的接触角为0°。
3.如权利要求1所述的改性镍基材表面的制备方法，其特征在于，所述步骤1中所述的抛光预处理采用功率为370W、研磨盘转速为450转/分、研磨盘直径为230mm的金相试样预磨机，且抛光预处理过程用直径为200mm、1000目的SiC水砂纸在所述镍基材表面进行抛光处理，抛光范围是100cm2，抛光时间10-20分钟。
4.如权利要求1所述的改性镍基材表面的制备方法，其特征在于，所述步骤1中清洗、干燥的具体步骤为：将抛光后的镍板样品放在盛有去离子水的超声波清洗仪中清洗，清洗干净后，将所述镍板样品表面用冷风吹干或室温自然晾干，得到洁净的表面抛光后的镍板样品。
5.如权利要求4所述的改性镍基材表面的制备方法，其特征在于，所述超声清洗仪的超声频率为40kHz，所述去离子水电阻率为18.25兆欧，所述去离子水将镍板样品表面淹没，在室温下连续清洗20-60分钟。
6.如权利要求1所述的改性镍基材表面的制备方法，其特征在于，所述步骤2与步骤3中所用的激光为超短脉冲激光器，其波长小于1550nm，其重复频率为10kHz-1000kHz；所述步骤2与步骤3中所用的激光加工参数为：脉宽为10ns-500ns，单脉冲能量小于1.1mJ。
7.如权利要求1所述的改性镍基材表面的制备方法，其特征在于，所述步骤2与步骤3中所用的激光为超短脉冲激光器，其波长为1064nm，其重复频率为40kHz-200kHz；所述步骤2与步骤3中所用的激光加工参数为：脉宽为30ns-60ns，所述单脉冲能量为0.4mJ-0.8mJ。
8.如权利要求1所述的改性镍基材表面的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，制备完毕后用锡箔纸包裹，并放入封口样品袋中，再放入电热真空干燥箱内烘烤，所述电热真空干燥箱内压力为普通大气压，湿度为40％-60％RH，温度为100℃-250℃，所述样品烘烤的时间为12-24小时，所述电热干燥箱内的温度误差为±1℃。
9.一种如权利要求1-8任一所述方法所制备得到的改性镍基材表面。
10.权利要求9所述的改性镍基材表面在提高冷凝传热效率中的应用。
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| CN201811599044.5A CN109719395A (zh) | 2018-12-26 | 2018-12-26 | 一种改性镍基材表面及其制备方法与应用 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112676706A (zh) * | 2020-12-16 | 2021-04-20 | 湖北工业大学 | 一种基于脉冲激光的散热板的制备方法及散热板 |
| CN114769623A (zh) * | 2022-06-20 | 2022-07-22 | 吉林大学 | 一种增材制造NiTi合金超亲水表面的制备方法 |
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2018
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