CN109913916A - 一种制备管道内壁超疏水结构的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备管道内壁超疏水结构的装置及方法，涉及激光与电化学加工领域，装置中光纤一端夹持在送丝机构内，另一端设置在激光加工模组内，激光加工模组设置在层叠式柔性塑料管内，层叠式柔性塑料管设置在管道的内孔里；该方法为：先用光纤激光在弯管道内壁加工出微米结构，再用电沉积的方法在微米结构上镀一层金属，表面金属氧化后得到纳米结构从而达到超疏水的特性；该装置利用光纤的可弯曲性，通过高速旋转反射镜达到加工弯管道内壁的目的，并且可以通过调节聚焦透镜和反射镜之间的距离来改变激光聚焦半径，来适应不同内径的管道加工，具有操作性强，柔性高的特点，利用电沉积方法获得纳米结构，结合力好，强度高。

Description

一种制备管道内壁超疏水结构的装置及方法

技术领域

本发明涉及激光与电化学加工领域，涉及到一种制备管道内壁超疏水结构的装置及方法，尤其适用于不同内径金属弯管道内壁超疏水结构的制备。

背景技术

超疏水表面具有自清洁、低阻力、抗冰霜一系列的优点，在航空航天、船只潜艇、管道运输、微流体装置等方面应用需求甚广。近年来，国内外专家对超疏水表面已经进行了大量的研究，但由于管道的特殊结构，在内壁加工超疏水结构比较困难，大多采用的方法是在表面涂覆一层低表面能物质。如中国专利“一种减小输水管道水头损失的方法”，公开号为CN105363656A提出，在管道内壁涂装一层硅橡胶翻模仿鲨鱼皮、或聚氨醋基仿鲨鱼皮的材料，达到减小输水管道水头损失的目的。中国专利“一种天然气管道内天然气水合物的清除方法”，公开号为CN103619475A提出，用酞菁铁作为碳源和催化剂，在氩气和氢气的高温流动气氛中制备柱状阵列碳纳米管膜，再将此膜涂覆到管道内壁或阀门内孔上阻止冰雪状的天然气水合物的形成，保证井筒和管道的畅通。这些方法都能有效地实现管道内壁的超疏水，但是涂层与基体的结合强度低，又由于材料限制，其耐用性较差。

发明内容

本发明提出的一种制备弯管道内壁超疏水结构的装置及方法，利用特殊的光纤激光加工装置在管道内壁加工出微米级阵列结构，再利用电沉积的方法在微米结构上镀一层金属，表面金属氧化后得到纳米结构达到超疏水的目的，具有强度高，寿命长的特点。

本发明是通过如下技术方案得以实现的：

一种制备管道内壁超疏水结构的装置，包括送丝机构、光纤、层叠式柔性塑料管和激光加工模组；所述光纤一端夹持在送丝机构内，另一端设置在激光加工模组内，激光加工模组设置在层叠式柔性塑料管内，层叠式柔性塑料管设置在管道的内孔里；所述激光加工模组包括壳体和调节套筒；所述壳体为中空结构，壳体内的一端开设有螺纹结构，调节套筒与壳体内壁螺纹连接；壳体内还安装有透镜保持滑块，通过调整调节套筒可使得透镜保持滑块移动，透镜保持滑块内安装有聚焦透镜；壳体内的另一端通过轴承安装有旋转套筒，旋转套筒的一端安装在扁平中空轴直流电机的中空输出轴内；另一端延伸出壳体，且旋转套筒延伸出壳体的端内设置有反光镜；光纤内的激光通过聚焦透镜的聚焦后辐照在反光镜上，激光被反射后穿过旋转套筒上开设的孔，最后辐照在管道内壁上。

进一步的，所述透镜保持滑块与平中空轴直流电机之间安装有弹簧。

进一步的，所述光纤通过光纤固定套筒安装在调节套筒内。

进一步的，所述轴承通过端盖定位。

进一步的，所述透镜保持滑块外壁镶嵌有石墨使得透镜保持滑块与壳体内壁之间充分润滑。

进一步的，装置还包括不溶性金属丝，激光加工完管道内壁后，在管道内通入溶液，不溶性金属丝接直流脉冲电源正极，直流脉冲电源负极接管道；从而形成电化学回路，进行电化学反应得到纳米级结构。

一种制备管道内壁超疏水结构的方法，先利用光纤激光加工管道内壁，在内壁形成微米结构，再用电沉积的方法在微米结构上镀一层金属，镀层金属氧化后得到纳米结构，从而得到超疏水结构。

进一步的，包括如下步骤：

根据管道内径选择层叠式柔性塑料管和调节激光加工模组，将激光加工模组安装在层叠式柔性塑料管内；

将层叠式柔性塑料管穿入到管道末端，使得管道和送丝机构的相对位置固定；

选取激光参数，打开扁平中空轴直流电机使反射镜旋转，打开激光器；利用送丝机构回抽激光加工模组，直至管道内壁的微米级结构加工结束，取出层叠式柔性塑料管；

将管道竖置并密封末端，加入溶液，置入不溶性金属丝；

不溶性金属丝接电源正极，管道接电源负极，选取电源参数，打开电源，在管道内壁利用电沉积加工所需表面金属层，直至加工结束，倒出溶液，去除密封，用蒸馏水清洗弯管道；

将管道加热或自然放置于空气中，使内壁镀层氧化形成纳米级结构，得到超疏水结构。

进一步的，电源为直流电源或者直流脉冲电源。

有益效果：

1.通过旋转调节套筒可实现调整激光加工半径，扁平中空轴直流电机带动旋转套筒及反射镜旋转，达到加工不同内径弯管道的目的。

2.层叠式柔性塑料管外径与弯管道内径相同，可以随着弯管道任意弯曲，达到支撑激光加工模组的目的。

3.送丝机构与弯管道的相对位置保持固定，通过送丝机构的步进电机控制光纤的进给和回抽。

4.装置利用光纤的可弯曲性，通过高速旋转反射镜达到加工弯管道内壁的目的，并且可以通过调节聚焦透镜和反射镜之间的距离来改变激光聚焦半径，来适应不同内径的管道加工，具有操作性强，柔性高的特点，利用电沉积方法获得纳米结构，结合力好，强度高。

5.透镜保持滑块外壁镶嵌有石墨，从而可以确保透镜保持滑块与壳体内壁之间充分润滑。

附图说明

图1为本发明涉及到的激光加工示意图；

图2为图1中激光加工模组结构示意图；

图3为本发明涉及到的电沉积加工示意图；

图4为本发明得到的超疏水结构示意图。

附图标记如下：

1.送丝机构；2.光纤；3.管道；4.层叠式柔性塑料管；5.激光加工模组；6.壳体；7.调节套筒；8.光纤固定套筒；9.透镜保持滑块；10.聚焦透镜；11.弹簧；12.扁平中空轴直流电机；13.套筒；14.激光束；15.旋转套筒；16.反射镜；17.轴承；18.端盖；19.不溶性金属丝；20.溶液；21.微米级结构；22.纳米级结构；23.电源。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

一种制备管道内壁超疏水结构的装置，包括送丝机构1、光纤2、层叠式柔性塑料管4和激光加工模组5；所述光纤2一端夹持在送丝机构1内，另一端设置在激光加工模组5内，激光加工模组5设置在层叠式柔性塑料管4内，层叠式柔性塑料管4设置在管道3的内孔里；所述激光加工模组5包括壳体6和调节套筒7；所述壳体6为中空结构，壳体6内的一端开设有螺纹结构，调节套筒7与壳体6内壁螺纹连接；壳体6内还安装有透镜保持滑块9，通过调节调节套筒7可使得透镜保持滑块9移动，透镜保持滑块9内安装有聚焦透镜10；壳体6内的另一端通过轴承17安装有旋转套筒15，旋转套筒15的一端安装在扁平中空轴直流电机12的中空输出轴内；另一端延伸出壳体6，且旋转套筒15延伸出壳体6的端内设置有反光镜16；光纤2内的激光通过聚焦透镜10的聚焦后辐照在反光镜16上，并经反光镜16反射出旋转套筒15上开设的孔，最后辐照在管道3内壁上。装置利用光纤的可弯曲性，通过高速旋转反射镜达到加工弯管道内壁的目的，并且可以通过调节聚焦透镜和反射镜之间的距离来改变激光聚焦半径，来适应不同内径的管道加工，具有操作性强，柔性高的特点，利用电沉积方法获得纳米结构，结合力好，强度高。

如图1所示，激光加工模组5固定在层叠式柔性塑料管4轴心位置，层叠式柔性塑料管4置于弯管道3中，其外径与弯管道3的内径一致。光纤2与激光加工模组5连接，并穿过送丝机构1，由送丝机构1上的齿轮和滑轮夹紧，送丝机构1与弯管道3的相对位置固定，通过送丝机构1的步进电机控制光纤的进给和回抽。

如图2所示，激光加工模组5包括光纤2、壳体6、调节套筒7、光纤固定套筒8、透镜保持滑块9、聚焦透镜10、弹簧11、扁平中空轴直流电机12、套筒13、激光束14、旋转套筒15、反射镜16、轴承17、端盖18，激光束14从光纤2端部发出，经聚焦透镜10聚焦，再由反射镜16反射，穿过旋转套筒15上的透光孔聚焦在工件表面，旋转套筒15固定在扁平中空轴直流电机12的中空轴上，扁平中空轴直流电机12带动旋转套筒15和反射镜16一起旋转加工管道内壁。可通过旋转调节套筒7来使弹簧11压缩或回弹控制聚焦透镜10和反射镜16之间的距离，从而调节激光加工范围。

如图3所示，激光加工好弯管道3内壁的微米结构后进行电沉积加工，电沉积系统包括弯管道3、不溶性金属丝19、溶液20和电源23。弯管道3的一端密封，加入溶液20，将不溶性金属丝19置于管道轴心位置并接电源23正极，弯管道3接电源23负极，开启电源23进行电沉积。

如图4所示，弯管道3内壁最终利用激光和电沉积加工形成的超疏水结构包含微米结构21和纳米结构22，纳米结构22分布在微米结构21上。

本发明具体实施方法如下：

根据弯管道3内径选择合适的层叠式柔性塑料管4并调节激光加工模组5的加工半径，将激光加工模组5安装在层叠式柔性塑料管4上；

将激光加工模组5及层叠式柔性塑料管4穿入到弯管道3末端，固定弯管道3和送丝机构1的相对位置；

选取合适的激光参数，打开扁平中空轴直流电机12使反射镜16旋转，打开激光器，利用送丝机构1回抽激光加工模组，直至管道内壁的微米结构加工结束，取出激光加工模组5及层叠式柔性塑料管4；

将弯管道3竖置并密封末端，加入溶液20，置入不溶性金属丝19；

不溶性金属丝19接电源23正极，弯管道3接电源23负极，选取合适的电源参数，打开电源在管道内壁利用电沉积加工所需的纳米结构，直至加工结束，倒出溶液20，去除密封，用蒸馏水清洗弯管道3；

将弯管道3加热或自然放置于空气中，使内壁镀层氧化得到超疏水结构。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种制备管道内壁超疏水结构的装置，其特征在于，包括送丝机构(1)、光纤(2)、层叠式柔性塑料管(4)和激光加工模组(5)；所述光纤(2)一端夹持在送丝机构(1)内，另一端设置在激光加工模组(5)内，激光加工模组(5)设置在层叠式柔性塑料管(4)内，层叠式柔性塑料管(4)设置在管道(3)的内孔里；所述激光加工模组(5)包括壳体(6)和调节套筒(7)；所述壳体(6)为中空结构，壳体(6)内的一端开设有螺纹结构，调节套筒(7)与壳体(6)内壁螺纹连接；壳体(6)内还安装有透镜保持滑块(9)，通过调整调节套筒(7)可使得透镜保持滑块(9)移动，透镜保持滑块(9)内安装有聚焦透镜(10)；壳体(6)内的另一端通过轴承(17)安装有旋转套筒(15)，旋转套筒(15)的一端安装在扁平中空轴直流电机(12)的中空输出轴内；另一端延伸出壳体(6)，且旋转套筒(15)延伸出壳体(6)的端内设置有反光镜(16)；光纤(2)内的激光通过聚焦透镜(10)的聚焦后辐照在反光镜(16)上，激光被反射后穿过旋转套筒(15)上开设的孔，最后辐照在管道(3)内壁上。

2.根据权利要求1制备管道内壁超疏水结构的装置，其特征在于，所述透镜保持滑块(9)与平中空轴直流电机(12)之间安装有弹簧(11)。

3.根据权利要求1所述的备管道内壁超疏水结构的装置，其特征在于，所述光纤(2)通过光纤固定套筒(8)安装在调节套筒(7)内。

4.根据权利要求1所述的备管道内壁超疏水结构的装置，其特征在于，所述轴承(17)通过端盖(18)定位。

5.根据权利要求1所述的备管道内壁超疏水结构的装置，其特征在于，所述透镜保持滑块(9)外壁镶嵌有石墨使得透镜保持滑块(9)与壳体(6)内壁之间充分润滑。

6.根据权利要求1所述的备管道内壁超疏水结构的装置，其特征在于，装置还包括不溶性金属丝(19)，激光加工完管道(3)内壁后，在管道(3)内通入溶液(20)，不溶性金属丝(19)接直流脉冲电源(23)正极，直流脉冲电源(23)负极接管道(3)；从而形成电化学回路，进行电化学反应得到纳米级结构(22)。

7.根据权利要求1-6任一项所述的制备管道内壁超疏水结构的装置的方法，其特征在于，先利用光纤激光加工管道内壁，在内壁形成微米结构，再用电沉积的方法在微米结构上镀一层金属，镀层金属氧化后得到纳米结构，从而得到超疏水结构。

8.根据权利要求7所述的制备管道内壁超疏水结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据管道内径选择层叠式柔性塑料管(4)和调节激光加工模组(5)，将激光加工模组(5)安装在层叠式柔性塑料管(4)内；

将层叠式柔性塑料管(4)穿入到管道末端，使得管道和送丝机构(1)的相对位置固定；

选取激光参数，打开扁平中空轴直流电机(12)使反射镜(16)旋转，打开激光器；利用送丝机构(1)回抽激光加工模组(5)，直至管道内壁的微米级结构(21)加工结束，取出层叠式柔性塑料管(4)；

将管道竖置并密封末端，加入溶液，置入不溶性金属丝(19)；

不溶性金属丝(19)接电源正极，管道接电源负极，选取电源参数，打开电源，在管道内壁利用电沉积加工所需表面金属层，直至加工结束，倒出溶液，去除密封，用蒸馏水清洗弯管道；

将管道加热或自然放置于空气中，使内壁镀层氧化形成纳米级结构(22)，得到超疏水结构。

9.根据权利要求7所述的制备管道内壁超疏水结构的方法，其特征在于，电源为直流电源或者直流脉冲电源。