CN110066977B - 一种超疏水金属表面的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超疏水金属表面的制备方法，包括如下步骤：一、对金属表面进行打磨和抛光，使得所述金属表面在显微镜下没有划痕，然后进行清洗和烘干；二、采用金属蒸汽真空弧(MEVVA)源离子注入机设备往所述金属表面注入碳离子；三、采用激光加工设备将所述金属表面加工成微结构网格状图案；四、静置，获得超疏水金属表面；以上步骤中，所述金属表面为铜表面。本发明无需在金属表面涂层，不降低金属的导热性能，以低污染低能耗的方式制成超疏水金属表面。

Description

一种超疏水金属表面的制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料表面处理及表面特性改变的技术领域，更具体地，涉及一种超疏水金属表面的制备方法。
背景技术
通常情况下，在不完全湿润的表面会形成一个冠状液滴，当气、液、固三相接触平衡，在冷壁面上生成球冠形液核时产生三个界面：固-气、固-液和液-气界面，这三个界面的面积分别为Asv，Asl，Alv。在三相交界点O，这三个界面的表面张力分别为σsv，σsl，σlv，当这三个力平衡时，根据Young方程，cosθ＝(σsv-σsl)/σlv，其中θ即为接触角。接触角小于90°的表面称为亲水表面，接触角大于90°的表面称为疏水表面，其中，接触角大于150°的表面，称为超疏水表面，从宏观上看，液滴在超疏水表面上不能稳定地滞留，难以浸润和挂壁，极易滑落。自然界中广泛存在的如荷叶、水稻叶、玫瑰花瓣、甲壳虫的背壳、壁虎脚掌等物体的表面，即为超疏水表面。超疏水表面的特性主要依托于两个方面：材料表面的微观结构及材料表面含有的疏水的基团或者物质。例如，荷叶表面的微米乳突上存在纳米结构，在这种复合微、纳米二元结构及低表面能蜡质层的共同作用下，荷叶表面呈现超疏水特性。
铜、铝、合金钢等金属材料作为流体输送、传热、化工反应等基本过程所使用的管道、换热器、反应器等设备的基础材料之一，在其表面上构建具有超疏水特性表面，可以使工质等形成的液滴不易滞留在设备表面，从而实现自清洁、阻垢、防冰霜、防腐、减阻、强化传热等特殊功能，在工业中极具应用价值和市场前景。
离子注入技术是一种材料表面改性技术，其基本原理是：将注入元素的原子电离成离子，在获得较高速度后射入放在真空靶室中的工件表面，离子与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中。引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能。
现有技术中，金属表面超疏水制备的方法主要有电化学沉积法、化学刻蚀法、等离子体刻蚀法、静电纺丝等，制备过程中多采用引入含氟或有机硅脂等低表面能涂层，提高表面接触角，以达到超疏水目的；采用电镀处理后再进行热处理，也是现有技术中制备金属铜的超疏水表面的方法。但是，上述工艺存在制备成本高，反应温度高、操作复杂、环境污染、降低材料传热特性等缺点。目前，离子注入技术应用于金属及半导体材料表面改性时，通常局限于改善材料表面的耐磨性、抗氧化性及绝缘性等，对于优化表面的浸润特性、制备超疏水表面的应用尚属空白。因此，如何节能环保高效地制备超疏水金属表面是目前急需解决的技术问题。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提出了一种不需要使用低表面能涂层，不需要复杂的表面加工，不降低金属导热性能，并且减少环境污染的超疏水金属表面的制备方法。
为实现上述目的，本发明提供了下述技术方案予以实现：
一种超疏水金属表面的制备方法，包括如下步骤：
一、对金属表面进行打磨和抛光，使得所述金属表面在显微镜下没有划痕，然后进行清洗和烘干；
二、采用金属蒸汽真空弧(MEVVA)源离子注入机设备往所述金属表面注入碳离子；
三、采用激光加工设备将所述金属表面加工成微结构网格状图案；
四、静置，获得超疏水金属表面；
以上步骤中，所述金属表面为铜表面。
所述步骤一中的所述打磨和抛光具体为，将所述铜表面依次采用目数由小到大的三种金相砂纸打磨至肉眼观察下没有划痕，然后抛光，直至在显微镜观察下没有划痕。
所述步骤一中的所述清洗具体为：将打磨抛光后的铜依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中，分别用超声波清洗机振荡清洗5-10min。
所述步骤二中注入碳离子的引出电压是40～50kV。
所述步骤二中注入碳离子的注入计量是7×1017ions/cm2。
所述步骤三中，所述网格状图案的长的数值范围为30-60μm，所述网格状图案的宽的数值范围为30-60μm，所述网格状图案的间距的数值范围为30-60μm。
所述步骤四中，所述静置的具体时间为一周。
本发明与现有技术相比的有益效果是：采用往金属表面注入碳离子的方法，无需在金属表面涂层，采用激光设备对金属表面进行微结构加工，不降低金属的导热性能，从而以低污染低能耗的方式制成超疏水金属表面。
附图说明
图1是经微结构网格状图案加工后金属铜表面微结构图案的SEM图。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式对本发明做进一步的阐述。
实施例一：
超疏水金属表面的制备方法包括如下步骤：
一、将金属铜表面依次采用320目、800和1600目的金相砂纸打磨至肉眼观察下没有划痕，然后采用机械抛光至显微镜下观察不到明显划痕；再将打磨抛光后的金属依次放入纯度为分析纯(AR)的丙酮、无水乙醇和去离子水中，分别用超声波清洗机振荡清洗5min。
二、在40kV引出电压下，采用金属蒸汽真空弧(MEVVA)源离子注入机设备往金属铜表面注入计量是4.5×1017ions/cm2的碳离子，本实施例中使用的是MT3-R2离子注入机。
三、采用激光加工设备对金属铜表面进行微结构网格状图案加工，将网格状图案的长、宽均加工为50μm，网格的间距也加工为50μm，加工后金属铜表面在电子扫描显微镜下的SEM图如图1所示。
四、在空气中静置一周，采用接触角测量仪来测量金属铜表面的接触角，测量液滴在金属铜表面两侧的接触角θ1与θ2，将θ1与θ2取平均值，得到金属铜表面的接触角值为153.55°，即获得了超疏水金属铜表面。
实施例二：
超疏水金属表面的制备方法包括如下步骤：
一、将金属铜表面依次采用320目、800和1600目的金相砂纸打磨至肉眼观察下没有划痕，然后采用机械抛光至显微镜下观察不到明显划痕；再将打磨抛光后的金属依次放入纯度为分析纯(AR)的丙酮、无水乙醇和去离子水中，分别用超声波清洗机振荡清洗10min。
二、在40kV引出电压下，采用金属蒸汽真空弧(MEVVA)源离子注入机设备往金属铜表面注入计量是4.5×1017ions/cm2的碳离子，本实施例中使用的是MT3-R2离子注入机。
三、采用激光加工设备对金属铜表面进行微结构网格状图案加工，将网格状图案的长、宽均加工为50μm，网格的间距也加工为50μm，。
四、在空气中静置一周，采用接触角测量仪来测量金属铜表面的接触角，测量液滴在金属铜表面两侧的接触角θ1与θ2，将θ1与θ2取平均值，得到金属铜表面的接触角值为152.12°，即获得了超疏水金属铜表面。
实施例三：
超疏水金属表面的制备方法包括如下步骤：
一、将金属铜表面依次采用320目、800和1600目的金相砂纸打磨至肉眼观察下没有划痕，然后采用机械抛光至显微镜下观察不到明显划痕；再将打磨抛光后的金属依次放入纯度为分析纯(AR)的丙酮、无水乙醇和去离子水中，分别用超声波清洗机振荡清洗5min。
二、在50kV引出电压下，采用金属蒸汽真空弧(MEVVA)源离子注入机设备往金属铜表面注入计量是4.5×1017ions/cm2的碳离子，本实施例中使用的是MT3-R2离子注入机。
三、采用激光加工设备对金属铜表面进行微结构网格状图案加工，将网格状图案的长、宽均加工为50μm，网格的间距也加工为50μm，。
四、在空气中静置一周，采用接触角测量仪来测量金属铜表面的接触角，测量液滴在金属铜表面两侧的接触角θ1与θ2，将θ1与θ2取平均值，得到金属铜表面的接触角值为150.69°，即获得了超疏水金属铜表面。
实施例四：
超疏水金属表面的制备方法包括如下步骤：
一、将金属铜表面依次采用320目、800和1600目的金相砂纸打磨至肉眼观察下没有划痕，然后采用机械抛光至显微镜下观察不到明显划痕；再将打磨抛光后的金属依次放入纯度为分析纯(AR)的丙酮、无水乙醇和去离子水中，分别用超声波清洗机振荡清洗5min。
二、在40kV引出电压下，采用金属蒸汽真空弧(MEVVA)源离子注入机设备往金属铜表面注入计量是7×1017ions/cm2的碳离子，本实施例中使用的是MT3-R2离子注入机。
三、采用激光加工设备对金属铜表面进行微结构网格状图案加工，将网格状图案的长、宽均加工为50μm，网格的间距也加工为50μm，。
四、在空气中静置一周，采用接触角测量仪来测量金属铜表面的接触角，测量液滴在金属铜表面两侧的接触角θ1与θ2，将θ1与θ2取平均值，得到金属铜表面的接触角值为157.56°，即获得了超疏水金属铜表面。
本发明的工作原理是：将注入元素的原子电离成离子，在获得较高速度后，在根据实验需要调节好的引出电压条件下，射入放在真空靶室中的金属工件表面，离子束与金属材料中的原子和分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射的碳离子逐渐损失能量，最后停留在金属材料中，并引起金属材料表面结构的变化，然后对金属表面做进一步的微结构加工，从而增强金属表面的疏水性。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种超疏水金属表面的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
一、对金属表面进行打磨和抛光，使得所述金属表面在显微镜下没有划痕，然后进行清洗和烘干；
二、采用金属蒸汽真空弧(MEVVA)源离子注入机设备往所述金属表面注入碳离子；
三、采用激光加工设备将所述金属表面加工成微结构网格状图案；
四、静置，获得超疏水金属表面；
以上步骤中，所述金属表面为铜表面。
2.根据权利要求1所述的超疏水金属表面的制备方法，其特征是，所述步骤一中的所述打磨和抛光具体为，将所述铜表面依次采用目数由小到大的三种金相砂纸打磨至肉眼观察下没有划痕，然后抛光，直至在显微镜观察下没有划痕。
3.根据权利要求1所述的超疏水金属表面的制备方法，其特征是，所述步骤一中的所述清洗具体为：将打磨抛光后的铜依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中，分别用超声波清洗机振荡清洗5-10min。
4.根据权利要求1所述的超疏水金属表面的制备方法，其特征是，所述步骤二中注入碳离子的引出电压是40～50kV。
5.根据权利要求1所述的超疏水金属表面的制备方法，其特征是，所述步骤二中注入碳离子的注入计量是7×1017ions/cm2。
6.根据权利要求1所述的超疏水金属表面的制备方法，其特征是，所述步骤三中，所述网格状图案的长的数值范围为30-60μm，所述网格状图案的宽的数值范围为30-60μm，所述网格状图案的间距的数值范围为30-60μm。
7.根据权利要求1所述的超疏水金属表面的制备方法，其特征是，所述步骤四中，所述静置的具体时间为一周。
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