CN115233228A

CN115233228A - 一种金属材料高硬度超疏水表面及其制备方法

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Publication number: CN115233228A
Application number: CN202210895199.3A
Authority: CN
Inventors: 余辉; 张永超; 刘海霞; 陈杰; 于兴伟; 郑宇翀; 刘光磊
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2022-07-26
Filing date: 2022-07-26
Publication date: 2022-10-25

Abstract

本发明属于超疏水表面领域，公开了一种金属材料高硬度超疏水表面及其制备方法。本发明利用超声空化在金属材料表面构筑有高强度、高硬度、耐久型的表面超疏水结构的方法。步骤为：将待处理的金属放入水中，利用超声振动诱导空化泡溃灭产生的冲击对金属材料进行表面强化并利用表面空蚀将其同步加工成具有二元微纳米结构的表面，再经过低表面能处理后形成超疏水表面。本发明制备超疏水表面的静态接触角超过150°，滚动角低于10°，表面硬度高出未处理状态10％～50％，不仅具有非常好的超疏水性和自清洁功能，而且具有优异的耐磨和机械耐久性，适合在各种形状复杂且使用工况恶劣的金属基材小表面获得超疏水、自清洁、耐腐蚀和耐磨的超疏水表面。

Description

一种金属材料高硬度超疏水表面及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料表面加工改性领域，具体涉及一种金属材料高硬度超疏水表面及其制备方法。

背景技术

近年来，随着在材料表面改性技术的发展，金属材料表面超疏水性成为一个新的研究热点。由于超疏水表面上的液滴具有接触角大(静态接触角大于150°,滚动角小于10°)、接触面积小，且液滴易滚落等特点，其在自清洁、防腐防霜、微流体芯片和无损液体输出等方面都表现出了优异的应用前景。

目前，化学刻蚀、激光表面刻蚀、热喷涂、气相沉积和电镀等方法可用于在金属基体表面制备具有超疏水功能的表面。以上所述方法除了存在制备条件苛刻、加工设备特殊或工艺过程复杂、污染大等缺陷外，用以上方法构筑的超疏水表面还存在不耐摩擦、二元微纳结构易破坏等缺陷，而耐摩擦性能弱的超疏水表面很难在实际的工业上具有应用价值。因此探索成本低廉、工艺简单、性能优良且绿色环保的金超疏水表面制备方法很有必要。而遗憾的是，现有超疏水制备技术中还未提出在金属表面上制备高强度、高硬度超疏水表面的方法，因此发明一种构筑金属基材料表面高硬度耐磨超疏水结构的方法很有必要。

发明内容

为了解决目前金属基超疏水表面制备成本高昂、工艺复杂、表面微纳结构易破坏、机械耐久性差等问题，本发明的目的在于提供一种在金属材料表面上构筑具高强度和硬度超疏水表面的方法，该方法可以显著提升金属基超疏水表面的机械耐久性。本发明利用超声空化中空泡溃灭产生的微射流和冲击波提高金属材料表面强度和硬度的同时在表面构筑微纳米级的粗糙度，结合含氟硅烷试剂对表面低能化处理从而制备出超疏水表面。该方法具有操作简单，安全可靠，制备周期短，重复性好，成本低的特点。

本发明采用简单的超声空化冲击并空蚀材料表面的方法，可在金属材料表面构筑静态接触角大于150°，滚动角小于10°的高硬度超疏水表面，因此使用本发明构筑的超疏水表面除了有优异的疏水性、自清洁和耐腐蚀性外还有很好的机械耐久性。本发明将大大提升金属基超疏水表面使用性能和应用范围，具有非常广阔的工业应用前景。

本发明是通过以下技术方案实现上述技术目的的：

一种金属材料高硬度超疏水表面的制备方法，采用以下步骤：

1)将需要制备表面超疏水的金属表面打磨抛光并清洁干净；

2)将步骤1)处理后的金属浸入水中，并在金属表面施加超声波产生空化泡冲击表面，构筑高硬度且符合超疏水表面要求的表面微纳结构；

3)将步骤2)构筑完成的工件表面清洗干净；

4)将步骤3)清洗后的金属进行表面低能化处理，热烘，形成高硬度超疏水表面。

步骤1)中，所述金属包括铝、铜、镁金属及其合金或者各类钢。

步骤2)中，在金属表面产生空化泡的方法有两种，通过在表面附近外加超声震动头产生空化冲击表面，或者通过夹具给金属施加超声震动产生空化。

步骤2)中，水温为0～100℃。

步骤2)中，表面微纳结构的表面粗糙度高于3μm。

步骤4)中，表面低能化处理的方法为：将步骤3)处理后的表面浸渍在低能化处理试剂中1～2小时。

低能化处理试剂具体为：1％的氟硅烷乙醇溶液或硬脂酸乙醇溶液，其中，氟硅烷具体为1H，1H，2H，2H-全氟癸基三甲氧基硅烷、1H，1H，2H，2H-全氟癸基三乙氧基硅烷、1H，1H，2H，2H-全氟辛基三甲氧基硅烷或1H，1H，2H，2H-全氟辛基三乙氧基硅烷中的任一种。

步骤4)中，热烘的温度为50～60℃，时间为10～30min。

本发明制得的一种金属材料高硬度超疏水表面，静态接触角大于150°，滚动角小于10°，表面硬度提升10％～50％。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果主要有：

(1)本发明利用超声空化对金属材料的冲击的作用构筑超疏水表面，介质为水，相比于激光加工、化学刻蚀等技术具有成本低、绿色环保、易操作等显著优势，具有较好的工业应用前景。

(2)本发明既适用于表面结构简单的材料和工件，也可对结构复杂的工件表面构筑超疏水结构，应用范围广。

(3)由于空化作用会对材料表面产生冲击，因此在利用空化作用构筑超疏水表面的过程中，金属材料或工件表面会有加工硬化产生，因此构筑的超疏水表面相比于其他工艺有更高的表面硬度，这有利于提高超疏水表面的机械耐久性，拓宽金属基超疏水表面的应用范围。

(4)通过本发明构筑的超疏水表面，其静态接触角大于150°，滚动角小于10°，表面硬度提升可达10％～50％，具有良好的超疏水性能、机械耐久性和耐磨损性。

附图说明

图1为本发明应用过程示意图；

图2采用本发明在ZL102表面制备出来的超疏水表面表面形貌的扫描电子显微图；

图3采用本发明在ZL102表面制备的超疏水表面静态接触角。

图4采用本发明在普通黄铜表面制备的超疏水表面静态接触角。

图5采用本发明在铅黄铜表面制备的超疏水表面静态接触角。

图6采用本发明在304不锈钢表面制备的超疏水表面静态接触角。

具体实施方式

为了使本发明的创新点、技术方案和优势更加清楚，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。

实施例1：

一种利用超声空化空蚀构筑高硬度超疏水表面结构的工艺方法，以ZL102为例，具体过程如下：

步骤1：对ZL102表面进行预处理；依次使用800目、1000目、1500目和2000目砂纸打磨并抛光，用无水乙醇或者丙酮对金属材料的表面用超声波清洗仪清洗3min，以除去金属表面由于机加工留下的油污及灰层；使用砂纸将材料磨平并对表面抛光；用酒精或丙酮清洗抛光后的表面，使用吹风机将金属表面吹干。

步骤2：使用满足GB/T 6383-2009标准的2200W空蚀实验仪器对ZL102合金表面进行超声空化冲击，水温为20℃。具体工艺参数为主要有功率50％、处理时间25min，超声发生刀头距表面的距离为0.5mm；

步骤3：用丙酮、无水乙醇超声清洗ZL102试样，确保试样表面污渍完全去除；

步骤4：使用1％的1H，1H，2H，2H—全氟癸基三甲氧基硅烷酒精溶液浸渍试样2小时做低能化处理。

步骤5：采用烘箱对浸渍完成的试样进行热烘，烘箱温度控制在60℃，烘干时间为30min，最终获得超疏水表面；

以ZL102为实验材料强化表面并制备超疏水表面的结果如附图2、3所示，从图2的表面空化处理后的表面形貌可以看出表明发生了明显的塑性变形和空蚀剥落，处理后表面粗糙度为3.61μm，满足表面粗糙度大于3μm的要求；其经过处理之后表面硬度从102.16HV提高到了133.65HV，提升了31％以上，表面强化效果显著，满足本发明要求的构筑高强度超疏水表面；从图3可以看出，经过超声空化处理和含氟试剂低能化处理的情况下，其表面水的接触角高达151.8°，滚动角为9°，达到表面超疏水的要求。

实施例2：

具体处理步骤与实施例1一致，材料为普通黄铜，超声空化处理时间为90min，构筑的超疏水表面疏水效果如图4所示，使用本发明在普通黄铜表面构筑的超疏水表面粗糙度为3.85μm，静态接触角为153.3°，滚动角为7°，达到表面超疏水的要求。表面硬度从112.75HV提升到了162.90HV，提升效果达到了44％以上，因此使用本发明成功在黄铜表面构筑了高硬度超疏水表面。

实施例3：

具体处理步骤与实施例1一致，材料为铅黄铜，超声空化处理时间为45min，构筑的超疏水表面效果如图5所示，使用本发明在普通黄铜表面构筑的超疏水表面粗糙度为3.39μm，静态接触角为154.8°，滚动角为6°，达到表面超疏水的要求，表面硬度从132.17HV提升到了149.53HV，提升效果达到了13％以上，因此使用本发明成功在铅黄铜表面构筑了高硬度超疏水表面。

实施例4：

具体处理步骤与实施例1一致，材料为304不锈钢，超声空化处理时间为120min，构筑的超疏水表面效果如图6所示，使用本发明在普通黄铜表面构筑的超疏水表面粗糙度为3.41μm，静态接触角为156.3°，滚动角为5°，达到表面超疏水的要求，表面硬度从271.62HV提升到了327.33HV，提升效果达到了20％以上，因此使用本发明成功在304不锈钢表面构筑了高硬度超疏水表面。

Claims

1.一种金属材料高硬度超疏水表面的制备方法，其特征在于，采用以下步骤：

1)将需要制备表面超疏水的金属表面打磨抛光并清洁干净；

3)将步骤2)构筑完成的工件表面清洗干净；

2.如权利要求1所述的金属材料高硬度超疏水表面的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述金属包括铝、铜、镁金属及其合金或者各类钢。

3.如权利要求1所述的金属材料高硬度超疏水表面的制备方法，其特征在于，步骤2)中，在金属表面产生空化泡的方法有两种，通过在表面附近外加超声震动头产生空化冲击表面，或者通过夹具给金属施加超声震动产生空化。

4.如权利要求1所述的金属材料高硬度超疏水表面的制备方法，其特征在于，步骤2)中，水温为0～100℃。

5.如权利要求1所述的金属材料高硬度超疏水表面的制备方法，其特征在于，步骤2)中，表面微纳结构的表面粗糙度高于3μm。

6.如权利要求1所述的金属材料高硬度超疏水表面的制备方法，其特征在于，步骤4)中，表面低能化处理的方法为：将步骤3)处理后的表面浸渍在低能化处理试剂中1～2小时。

7.如权利要求6所述的金属材料高硬度超疏水表面的制备方法，其特征在于，低能化处理试剂具体为：1％的氟硅烷乙醇溶液或硬脂酸乙醇溶液，其中，氟硅烷具体为1H，1H，2H，2H-全氟癸基三甲氧基硅烷、1H，1H，2H，2H-全氟癸基三乙氧基硅烷、1H，1H，2H，2H-全氟辛基三甲氧基硅烷或1H，1H，2H，2H-全氟辛基三乙氧基硅烷中的任一种。

8.如权利要求1所述的金属材料高硬度超疏水表面的制备方法，其特征在于，步骤4)中，热烘的温度为50～60℃，时间为10～30min。

9.一种金属材料高硬度超疏水表面，其特征在于，是通过权利要求1～8任一项所述制备方法获得的，静态接触角大于150°，滚动角小于10°，表面硬度提升10％～50％。