CN114507888B - 一种管道内壁超疏水结构的电沉积制备方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道内壁超疏水结构的电沉积制备方法及装置，涉及特种加工领域。该方法将空心管状阳极放置于待加工管道内部中心，并且保持一定间隙；在管状阳极内缓速通入沉积液，利用静电吸附原理，使空心管状阳极上端开孔处附着的液滴被吸附到工件管道内壁上，在管状阳极和工件管道内壁之间形成微流道，构成电沉积通路，从而获得超疏水微纳结构；当微纳结构氧化一段时间或者涂覆低表面能物质后，可在工件管道内壁获得超疏水表面。本发明操作流程简单，微纳结构易于控制，增强了管道内壁的疏水性，得到的超疏水结构管道可以实现加快其管内的流速的作用。

Description

一种管道内壁超疏水结构的电沉积制备方法及装置

技术领域

本发明涉及特种加工技术中表面加工领域，尤其涉及到一种管道内壁超疏水结构的电沉积制备方法及装置，适用于不同内径金属直管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、抗冰霜等一系列的优点，制备跨尺度超疏水微纳米结构是制备超疏水表面关键的一环。由于长直管道的特殊性，在管道内壁制备超疏水结构比较困难。

中国专利公开号为CN111850660A的专利公开了“一种基于电镀方法的简易超疏水管内表面制备装置”，在管道内壁电沉积了微纳米结构，但是微纳结构生长无序，无法控制。中国专利公开号为CN109913916A的专利公开了“一种制备管道内壁超疏水结构的装置及方法”，利用光纤插入管道制备了有序微纳结构，但是该装置较复杂，造价较高。这些方法各有特色，但都未能达到简便高效的制备有序微纳米疏水结构的要求。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种管道内壁超疏水结构的电沉积制备方法，利用静电吸附原理，使空心管状阳极上端开孔处附着的液滴被吸附到管道内壁上，在管状阳极和管道内壁之间形成微流道，构成电沉积通路，从而获得超疏水微结构；本发明还提供了一种装置，该装置用来制备超疏水微结构。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种管道内壁超疏水结构的电沉积制备方法，利用静电吸附原理构建管状阳极与工件管道内壁之间的电沉积微流道，将管状阳极置于工件管道内部并保持一定间隙，不通电时，通过管状阳极的沉积液在其开孔处形成液滴；通电后，液滴在管状阳极与阴极工件管道内壁之间形成微流体通道，从而实现工件管道内壁超疏水微结构的制备。

上述方案中，所述工件管道相对管状阳极旋转，所述管状阳极保持静止。

上述方案中，所述工件管道内径略大于管状阳极外径。

上述方案中，所述管状阳极沿轴向方向上开设有孔，且开孔位置置于管状阳极上侧壁；孔的直径、两孔之间的距离依据所需超疏水微结构尺寸而定。

上述方案中，包括如下步骤：

根据所需超疏水微结构的尺寸在管状阳极一侧开孔；

根据所需超疏水微结构的样式设置旋转速度与间歇时常，优化后导入计算机；

对工件管道内壁进行预处理将内壁表面毛化，提高超疏水微结构与内壁的结合力；

管状阳极与直流脉冲电源正极相连，工件管道与直流脉冲电源负极相连；

开启蠕动泵，缓速通入沉积液，使管状阳极内部充满沉积液并在顶端开孔处形成微小液滴；

通电，液滴吸附在工件管道内壁构成微流道，形成电化学回路；

运动控制器控制旋转手臂实现工件管道间歇旋转，制备超疏水微结构样式；

加工结束后，可以将微结构氧化一段时间或者涂覆低表面能物质，最终在工件管道内壁获得超疏水表面。

一种管道内壁超疏水结构的电沉积制备装置，包括电沉积加工系统、沉积液循环系统和运动控制系统；所述电沉积加工系统包括直流脉冲电源、管状阳极和工件管道；所述管状阳极与直流脉冲电源正极相连，工件管道与直流脉冲电源负极相连，并依靠进液口夹具与出液口夹具保证一定工作间隙；所述运动控制系统包括计算机和运动控制器；所述计算机控制运动控制器、蠕动泵和直流脉冲电源，所述运动控制器控制x-y-z三轴运动平台和旋转手臂；所述电沉积液循环系统包括蠕动泵、储液槽，进液口夹具和出液口夹具；所述进液口夹具保证沉积液只进入管状阳极内，所述出液口夹具夹持管状阳极的同时夹紧工件管道，使工件管道能跟随旋转手臂旋转。

上述方案中，进液口与管状阳极连接处可套密封橡胶圈，防止沉积液进入工件管道内。

上述方案中，所述出液口夹具内设置橡胶垫圈，保证管状阳极与工件管道的间隙稳定。

上述方案中，所述进液口夹具与出液口夹具为亚克力等耐蚀绝缘材料。

上述方案中，出液口设置节流阀，用于调整管状阳极腔内流速。

有益效果：

1.本发明中管状阳极上侧壁上开设有孔，通过调节孔径和孔距，从而达到改变工件管道内壁微结构尺寸大小的目的。

2.本发明可以通过改变工件管道旋转的速度和间歇时间，达到改变工件管道内壁微结构样式的目的。

3.本发明利用静电吸附原理，形成微流道，降低了杂散沉积的影响，电沉积的选择性更强。

4.本发明进液口夹具和出液口夹具限制了沉积液流向，并且能够使管状阳极和工件管道保持水平，间隙稳定。

5.本发明工件管道内径略大于管状阳极外径，从而可以满足通电时可以形成微流道，电镀液不从管道阳极溢流造成杂散沉积，管状阳极形状与工件管道形状相同或者相似，不限于等径直管，可根据需要选择相应尺寸和结构的工件管道和管状阳极。

附图说明

图1为本发明实施例涉及到的管道内壁超疏水结构的电沉积加工系统示意图；

图2为静电吸附构建微流道示意图；

图3为进液口夹具三维结构图；

图4为进液口夹具三维结构的透视图；

图5为出液口夹具结构图；

图6为图5的剖面图；

图7为改变旋转参数的微结构样式效果示意图；

图8为微结构实例SEM电镜图。

附图标记：

1-计算机；2-运动控制器；3-直流脉冲电源；4-蠕动泵；5-进液口夹具；6-支撑座；7-储液槽；8-管状阳极；9-工件管道；10-出液口夹具；11-旋转手臂；12-x-y-z三轴运动平台；13-节流阀

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种管道内壁超疏水结构的电沉积制备方法，利用静电吸附原理构建管状阳极8与工件管道9内壁之间的电沉积微流道，将管状阳极8置于工件管道9内部中心并保持一定间隙，不通电时，缓速通过的沉积液在管状阳极8上端开孔处形成液滴；通电后，液滴在管状阳极8与阴极工件管道9内壁之间形成微流体通道，实现工件管道9内壁超疏水微纳结构的制备。

其中，所述管状阳极8内部空心，一侧开孔，孔径与孔距依据所需微结构尺寸而定。

所述管状阳极8与工件管道9横向放置，开孔一侧位于正上方。

其中，所述工件管道9可以旋转，管状阳极8不可旋转。

其中，所述工件管道9与管状阳极8为导电金属材料。

一种管道内壁超疏水结构的电沉积制备方法，包括如下步骤：

根据所需微结构尺寸在管状阳极8一侧开孔；

根据所需微结构样式设置旋转速度与间歇时常，优化后导入计算机1；

对工件管道9内壁进行预处理，可使用化学方法将内壁表面毛化，提高微结构结合力；

管状阳极8与直流脉冲电源3正极相连，工件管道9与直流脉冲电源3负极相连；

开启蠕动泵4，缓速通入沉积液，使管状阳极8内部充满沉积液并在顶端开孔处形成微小液滴；

通电，液滴吸附在工件管道9内壁构成微流道，形成电化学回路；

运动控制器2控制旋转手臂11实现工件管道9间歇旋转，制备微结构样式；

加工结束后，可以将微结构氧化一段时间或者涂覆低表面能物质，最终在工件管道9内壁获得超疏水表面。

一种管道内壁超疏水结构的电沉积制备装置，包括电沉积加工系统，沉积液循环系统和运动控制系统；所述电沉积加工系统包括直流脉冲电源3、管状阳极8和工件管道9；所述管状阳极8与直流脉冲电源3正极相连，工件管道9与直流脉冲电源3负极相连，并依靠进液口夹具5与出液口夹具10保证一定工作间隙；所述运动控制系统包括计算机1和运动控制器2；所述计算机1控制运动控制器2、蠕动泵4和直流脉冲电源3，所述运动控制器2控制x-y-z三轴运动平台12和旋转手臂11；所述电沉积液循环系统包括蠕动泵4、储液槽7，进液口夹具5和出液口夹具10；所述进液口夹具5保证沉积液只进入管状阳极8内，所述出液口夹具10稳定管状阳极8的同时夹紧工件管道9，使其能跟随旋转手臂11旋转。

其中，所述进液口夹具5与出液口夹具10内部有两层平台，对应了不同管径的工件管道9与管状阳极8，可使得长直管状零件在工作面水平。

其中，所述进液口与管状阳极8连接处可套密封橡胶圈，防止沉积液进入工件管道9内。

其中，所述出液口夹具10依靠螺栓螺母夹紧，且只紧固工件管道9。

其中，所述出液口夹具10内设置橡胶垫圈，保证管状阳极8与工件管道9的间隙稳定。

其中，所述进液口夹具5与出液口夹具10为亚克力等耐蚀绝缘材料。

其中，所述出液口设置节流阀13，调整管状阳极8腔内流速。

实施例

结合附图1所示，一种管道内壁超疏水结构的电沉积制备装置，包括电沉积加工系统，沉积液循环系统和运动控制系统；所述电沉积加工系统包括直流脉冲电源3、管状阳极8和工件管道9；所述管状阳极8与直流脉冲电源3正极相连，工件管道9与直流脉冲电源3负极相连，并依靠进液口夹具5与出液口夹具10保证一定工作间隙；所述运动控制系统包括计算机1和运动控制器2；所述计算机1控制运动控制器2、蠕动泵4和直流脉冲电源3，所述运动控制器2控制x-y-z三轴运动平台12和旋转手臂11；所述电沉积液循环系统包括蠕动泵4、储液槽7，进液口夹具5和出液口夹具10；所述进液口夹具5保证沉积液只进入管状阳极8内，所述出液口夹具10稳定管状阳极8的同时夹紧工件管道9，使其能跟随旋转手臂11旋转。

结合附图2所示，一种管道内壁超疏水结构的电沉积制备方法，利用静电吸附原理构建管状阳极8与工件管道9内壁之间的电沉积微流道；将管状阳极8置于工件管道9内部中心并保持一定间隙，不通电时，缓速通过的沉积液在管状阳极8上端开孔处形成液滴；通电后，液滴在管状阳极8与工件管道9内壁之间形成微流体通道，实现工件管道9内壁超疏水微纳结构的制备。

本发明具体实施方法如下：

根据所需微结构尺寸在管状阳极8一侧开直孔，一般孔径不大于150μm,孔距不大于100μm；

根据所需微结构样式设置旋转速度与间歇时常，优化后导入计算机1；

由于实际情况中管道内径不一样，本例将转速换算为每秒移动的距离。以电沉积镍结构为例，电流密度50mA/cm²时，沉积速率约为2μm/min。如果要获得点结构，间歇时间不小于5min，如果要获得线结构，转速转换成移动距离后不大于5mm/s。

对工件管道9内壁进行预处理，可使用化学方法将内壁表面毛化，提高微结构结合力；

管状阳极8与直流脉冲电源3正极相连，工件管道9与直流脉冲电源3负极相连；

开启蠕动泵4，缓速通入沉积液，调节节流阀13控制流速，此时流速不能过大，以管状阳极8顶端开孔处形成微小液滴为佳；

通电，液滴吸附在工件管道9内壁构成微流道，形成电化学回路；

运动控制器2控制旋转手臂11实现管道间歇旋转，制备微结构样式；

加工结束后，可以将微结构氧化一段时间或者涂覆低表面能物质，最终在工件管道9内壁获得超疏水表面。

结合附图7所示，进液口夹具5紧固工件管道9随计算机1控制做间歇旋转运动，控制旋转参数后，可以在工件管道9内壁获得点状、条状和圈状微结构。

结合附图8所示，为不同的工件管道9的旋转方式得到的超疏水微结构的扫描电镜图。从图中可以看出，可以获得与附图7相似的，形貌一致的短线和阵列直线组，实现超疏水粗糙结构的制备。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种管道内壁超疏水结构的电沉积制备方法，其特征在于，利用静电吸附原理构建管状阳极（8）与工件管道（9）内壁之间的电沉积微流道，将管状阳极（8）置于工件管道（9）内部并保持一定间隙，不通电时，通过管状阳极（8）的沉积液在其开孔处形成液滴；通电后，液滴在管状阳极（8）与阴极工件管道（9）内壁之间形成微流体通道，从而实现工件管道（9）内壁超疏水微结构的制备；

所述工件管道（9）相对管状阳极（8）旋转，所述管状阳极（8）保持静止；所述管状阳极（8）沿轴向方向上开设有孔，且开孔位置位于管状阳极（8）的上侧壁；孔的直径、两孔之间的距离依据所需超疏水微结构尺寸而定。

2.根据权利要求1所述的管道内壁超疏水结构的电沉积制备方法，其特征在于，所述工件管道（9）内径略大于管状阳极（8）外径。

3.根据权利要求1-2任一项所述的管道内壁超疏水结构的电沉积制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据所需超疏水微结构的尺寸在管状阳极（8）一侧开孔；

根据所需超疏水微结构的样式设置旋转速度与间歇时常，优化后导入计算机（1）；

对工件管道（9）内壁进行预处理将内壁表面毛化，提高超疏水微结构与内壁的结合力；

管状阳极（8）与直流脉冲电源（3）正极相连，工件管道（9）与直流脉冲电源（3）负极相连；

开启蠕动泵（4），缓速通入沉积液，使管状阳极（8）内部充满沉积液并在顶端开孔处形成微小液滴；

通电，液滴吸附在工件管道（9）内壁构成微流道，形成电化学回路；

运动控制器（2）控制旋转手臂（11）实现工件管道（9）间歇旋转，制备超疏水微结构；

加工结束后，可以将超疏水微结构氧化一段时间或者涂覆低表面能物质，最终在工件管道（9）内壁获得超疏水表面。

4.实现权利要求1～2任一项所述的管道内壁超疏水结构的电沉积制备方法的装置，其特征在于，包括电沉积加工系统、电沉积液循环系统和运动控制系统；所述电沉积加工系统包括直流脉冲电源（3）、管状阳极（8）和工件管道（9）；所述管状阳极（8）与直流脉冲电源（3）正极相连，工件管道（9）与直流脉冲电源（3）负极相连，并依靠进液口夹具（5）与出液口夹具（10）保证一定工作间隙；所述运动控制系统包括计算机（1）和运动控制器（2）；所述计算机（1）控制运动控制器（2）、蠕动泵（4）和直流脉冲电源（3），所述运动控制器（2）控制x-y-z三轴运动平台（12）和旋转手臂（11）；所述电沉积液循环系统包括蠕动泵（4）、储液槽（7），进液口夹具（5）和出液口夹具（10）；所述进液口夹具（5）保证沉积液只进入管状阳极（8）内，所述出液口夹具（10）夹持管状阳极（8）的同时夹紧工件管道（9），使工件管道（9）能跟随旋转手臂（11）旋转。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，进液口与管状阳极（8）连接处可套密封橡胶圈，防止沉积液进入工件管道（9）内。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述出液口夹具（10）内设置橡胶垫圈，保证管状阳极（8）与工件管道（9）的间隙稳定。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述进液口夹具（5）与出液口夹具（10）为亚克力耐蚀绝缘材料。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，出液口设置节流阀（13），用于调整管状阳极（8）腔内流速。