CN116140938A - 一种宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法和金属件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法和金属件，一种宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法，包括以下步骤：S1、对金属件进行清洗；S2、以红外激光在金属件表面加工得到阵列图案，所述阵列图案由小图案组成，所述小图案的边缘为微米结构，所述小图案的内部为纳米结构，所述微米结构的顶面高于所述纳米结构的顶面；S3、将红外激光加工完成后的金属件在真空环境进行退火处理，在金属件形成耐磨超疏水表面。红外激光加工设备成本低，获得的耐磨超疏水表面有优秀的耐磨性能，且加工周期短。金属件具有以上述的加工方法所得的耐磨超疏水表面，该耐磨超疏水表面有优秀的耐磨性能，金属件的加工成本低、使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及金属表面加工技术领域，尤其涉及一种宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法和金属件。
背景技术
不锈钢材料在医疗器械(例如手术器具、医用托盘等)、船舶(螺旋桨、货舱等)、航空航天(飞机结构件、化学燃料压力容器等)等领域具有广泛的应用。不锈钢本身属于亲水材料，其静态接触角小于90°，通过在不锈钢表面制造微纳结构和采用含氟低表面能化学试剂修饰可以得到具有超疏水性质的表面，超疏水不锈钢表面在自清洁、抗污、防结冰、减租、抗海水及盐雾腐蚀、抗生物膜粘附及抗菌领域具有极大的应用前景。激光烧蚀具有高效、稳定、可靠、成本低的特点，是一种适于工业推广应用的金属表面制备超疏水微纳结构的技术。
目前通过激光制备不锈钢疏水表面的方法包括以下几种：一是采用皮秒、飞秒等超短脉冲激光处理不锈钢，然后在进行退火处理以获得不锈钢超疏水表面，由于在大气环境中进行退火处理，获得的超疏水结构不稳定，容易丧失超疏水性；二是采用超短脉冲激光处理不锈钢，然后采用含氟的硅烷试剂处理不锈钢，以降低不锈钢表面自由能，从而得到不锈钢超疏水表面，该不锈钢超疏水表面含氟，而氟是一种有毒的物质，存在安全隐患；三是采用超短脉冲激光处理不锈钢，然后把不锈钢置于大气环境中，直到不锈钢变为超疏水表面，制备周期长，并且获得的超疏水结构不稳定。
以上方法都是采用超短脉冲激光器处理不锈钢，超短脉冲激光器成本昂贵，不适合大规模工业生产；而且以上方法制备的不锈钢疏水表面被外物摩擦时，疏水纳米结构容易被摩擦掉，导致不锈钢表面从疏水结构转变亲水结构，不锈钢丧失疏水性，这种不锈钢疏水表面不具备耐磨的性能。
发明内容
本发明的目的在于提出一种宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法，红外激光加工设备成本低，获得的耐磨超疏水表面有优秀的耐磨性能，且加工周期短。
本发明的另一目的在于提出一种金属件，具有以上述的加工方法所得的耐磨超疏水表面，该耐磨超疏水表面有优秀的耐磨性能，金属件的加工成本低、使用寿命长。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法，包括以下步骤：
S1、对金属件进行清洗；
S2、以红外激光在金属件表面加工得到阵列图案，所述阵列图案由小图案组成，所述小图案的边缘为微米结构，所述小图案的内部为纳米结构，所述微米结构的顶面高于所述纳米结构的顶面；
S3、将红外激光加工完成后的金属件在真空环境进行退火处理，在金属件形成耐磨超疏水表面。
进一步的，所述步骤S2中，红外激光在金属表面加工所述微米结构时，激光相邻路线的距离大于光斑直径。
进一步的，所述步骤S2中，红外激光在金属表面加工所述纳米结构时，激光相邻路线的距离等于光斑直径。
进一步的，所述步骤S2中，红外激光在金属表面加工所述微米结构时，激光相邻路线的距离与光斑直径的差值为5-10μm。
进一步的，所述小图案呈几何形状，所述小图案边缘凸起即为所述微米结构，所述小图案内部的阵列结构即为所述纳米结构；
相邻两个所述小图案的距离为5-10μm。
进一步的，所述步骤S2中，首先采用不同参数的红外激光对金属件的表面进行加工，确定选用的红外激光参数，然后设计阵列图案，并将阵列图案输入红外激光器，最后以预设的红外激光参数和阵列图案在金属件表面加工得到阵列图案。
进一步的，所述步骤S2中，激光打标速度为1-120mm/s，跳转速度为50-300mm/s，频率为20-100Khz，打标次数为1-16次。
进一步的，所述步骤S2中，红外激光加工的功率为600-1800W。
进一步的，所述步骤S3中，将红外激光加工完成后的金属件在真空箱中进行退火处理；
所述真空箱内的真空度为0.05-0.1Mpa，退火处理的温度为60℃-120℃，退火处理的时间为1-20h。
一种金属件，所述金属件具有耐磨超疏水表面，所述耐磨超疏水表面由上述的宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法加工而成。
本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：
为了解决现有技术中不锈钢疏水表面耐磨性差、加工设备成本高加的问题，本发明提出一种宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法，采用低成本的红外激光器在金属表面加工形成阵列图案，在完成退火后，以阵列图案的微米结构实现疏水表面的耐磨性能，以纳米结构实现疏水表面的超疏水性能。
本发明的加工方法中，红外激光加工完成后的金属件在真空环境中进行退火处理，加工而成的阵列图案能完成从超清水到超疏水的转变，该转变的周期短、超疏水结构更稳定。
本发明的加工方法不仅可以用于不锈钢工件的表面疏水结构加工，还可以适用于其他种类金属件的加工，例如铝、铝合金材质的金属件。
附图说明
图1是实施例1中水滴在不锈钢表面的状态照片；
图2是实施例1中水滴在经砂纸打磨后的不锈钢表面的状态照片；
图3是实施例3中水滴在不锈钢表面的状态照片；
图4是实施例3中水滴在经砂纸打磨后的不锈钢表面的状态照片；
图5是对比例中水滴在不锈钢表面的状态照片；
图6是实施例1中红外激光在不锈钢表面的加工路线图；
图7是实施例1中不锈钢板的耐磨超疏水表面的电子显微镜照片；
图8是实施例2中红外激光在不锈钢表面的加工路线图；
图9是实施例2中不锈钢板的耐磨超疏水表面的电子显微镜照片。
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，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提供一种宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法，包括以下步骤：
S1、对金属件进行清洗；
S2、以红外激光在金属件表面加工得到阵列图案，所述阵列图案由小图案组成，所述小图案的边缘为微米结构，所述小图案的内部为纳米结构，所述微米结构的顶面高于所述纳米结构的顶面；
S3、将红外激光加工完成后的金属件在真空环境进行退火处理，在金属件形成耐磨超疏水表面。
为了解决现有技术中不锈钢疏水表面耐磨性差、加工设备成本高加的问题，本发明提出一种宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法，采用低成本的红外激光器在金属表面加工形成阵列图案，在完成退火后，以阵列图案的微米结构实现疏水表面的耐磨性能，以纳米结构实现疏水表面的超疏水性能。
本发明首次提出使用红外激光器金属表面上进行加工，采用宏微复合的方法，在金属表面上加工得到微纳结构的阵列图案，小图案内经过激光加工形成纳米结构阵列，纳米结构阵列被用作疏水的结构，小图案之间经过激光加工形成微米结构阵列，微米结构阵列形成“铠甲”，微米结构内部包含纳米结构阵列，从而纳米结构阵列被保护。当金属表面被外物摩擦时，微米结构被摩擦损耗，而纳米结构阵列因为被微米结构阵列包围所以被保护，由此，在金属表面被外物摩擦时，纳米结构阵列不会有损伤，而金属表面的保持超疏水性能。
需要说明的是，超快激光由于能量高、光斑直径小，更加容易加工金属表面，对金属表面的图案要求并不是很高，即可得到金属件的疏水表面，但光斑直径小会影响加工效率。而红外激光的光束能量小且光斑直径大，很难加工金属表面形成疏水结构，并且烧蚀得到的图案深度较浅。本发明正是利用用红外激光光斑直径大的特点，可以更加高效的加工凹陷疏水结构，并且利用光斑直径的大小设计阵列图案，达到耐磨和疏水效果。
本发明的加工方法中，红外激光加工完成后的金属件在真空环境中进行退火处理，加工而成的阵列图案能完成从超清水到超疏水的转变，该转变的周期短、超疏水结构更稳定。
本发明的加工方法不仅可以用于不锈钢工件的表面疏水结构加工，还可以适用于其他种类金属件的加工，例如铝、铝合金材质的金属件。
进一步的，所述步骤S2中，红外激光在金属表面加工所述微米结构时，激光相邻路线的距离大于光斑直径。可以理解的，激光光斑的大小与加工线条的宽度呈正相关的关系，使激光相邻路线的距离大于光斑直径，则使得相邻的加工痕迹互不干扰，则加工痕迹的边缘保持原状，形成微米结构。需要说明的是，纳米结构和微米结构的加工光斑大小一致，本技术方案中的微纳结构由红外激光器一次加工而成。
进一步的，所述步骤S2中，红外激光在金属表面加工所述纳米结构时，激光相邻路线的距离等于光斑直径。基于激光光斑的大小与加工线条的宽度呈正相关的关系，当激光相邻路线的距离等于光斑直径时，相邻的加工痕迹的边缘发生重叠，使得重叠部分的高度减小，而多个加工路线的阵列得到了纳米结构实现疏水性能。并且该纳米结构的高度小于微米结构的高度，使小图案内形成凹陷结构，边缘形成凸起结构，达到微米结构保护纳米结构的效果。
进一步的，所述步骤S2中，红外激光在金属表面加工所述微米结构时，激光相邻路线的距离与光斑直径的差值为5-10μm。将该差值限定在5-10μm内，达到相邻微米结构不干扰且阵列图案具备超疏水的效果。
在一些实施方式中，优选的，所述小图案呈几何形状，所述小图案边缘凸起即为所述微米结构，所述小图案内部的阵列结构即为所述纳米结构；相邻两个所述小图案的距离为5-10μm。相邻两个小图案的距离即构成相邻微米结构的间距。使小图案的边缘仅设置一条凸起形成微米结构，内部以阵列方式形成纳米结构，达到了加工难度低的效果。具体的，小图案的整体形状为三角形、正方形或正六边形，以此形状的小图案构成阵列。
进一步的，所述步骤S2中，首先采用不同参数的红外激光对金属件的表面进行加工，确定选用的红外激光参数，然后设计阵列图案，并将阵列图案输入红外激光器，最后以预设的红外激光参数和阵列图案在金属件表面加工得到阵列图案。可以理解的，基于小图案的形状不同、金属件的性状不同，在金属件表面形成耐磨超疏水结构的激光参数、图案阵列也不同。因此，在进行正式加工前，对红外激光参数进行设定，以及预先设计阵列图案，能在很大程度上提高加工效果和节约加工时间。
进一步的，所述步骤S2中，激光打标速度为1-120mm/s，跳转速度为50-300mm/s，频率为20-100Khz，打标次数为1-16次。在该参数范围内，可在金属件加工得到耐磨超疏水表面，且适用于多种材质的金属件加工。
进一步的，所述步骤S2中，红外激光加工的功率为600-1800W。红外激光的波长是固定的不变，激光器功率越大，光斑直径越大。选取红外激光加工功率的原则是打标的形貌好，同时能保持较高的打标速度，达到既保证加工效率又节约成本的效果。
进一步的，所述步骤S3中，将红外激光加工完成后的金属件在真空箱中进行退火处理；所述真空箱内的真空度为0.05-0.1Mpa，退火处理的温度为60℃-120℃，退火处理的时间为1-20h。通过限定退火的参数在上述范围内，激光加工后的金属表面能够以最快的速度完成从超亲水到超疏水的转变，并且经过退火后，表面超疏水性维持时间长。
相应的，本发明还提供一种金属件，所述金属件具有耐磨超疏水表面，所述耐磨超疏水表面由上述的宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法加工而成。具有以上述的加工方法所得的耐磨超疏水表面，该耐磨超疏水表面有优秀的耐磨性能，金属件的加工成本低、使用寿命长。
以下通过实施例和对比例进一步阐述本发明。
实施例1
一种宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法，包括以下步骤：
S1、将不锈钢板在去离子水中进行超生清洗；
S2、以红外激光在不锈钢板表面加工得到阵列图案；
S201、首先采用不同参数的红外激光对不锈钢板的表面进行加工，确定选用的红外激光参数，光斑直径60um，激光打标速度为60mm/s，跳转速度为200mm/s，频率为50Khz，打标次数为2次，红外激光加工的功率为600-1800W范围内；
S202、然后设计阵列图案中的小图案为正方形，激光相邻平行路线的距离为60um用于形成纳米结构，小图案之间距离为65um形成微米结构，激光加工路线如图6所示；
S203、采用预设的红外激光参数和阵列图案，以红外激光器在不锈钢板的表面进行打标，直至打标结束；
S3、将红外激光加工完成后的金属件在真空箱进行退火处理，真空箱内的真空度为0.1Mpa，退火处理的温度为100℃，退火处理的时间为2h，在不锈钢板形成耐磨超疏水表面。不锈钢板的耐磨超疏水表面的电子显微镜结构如图7所示。
对上述的具备耐磨超疏水表面的不锈钢板进行测试：
使用移液枪吸取4ul的去离子水置于不锈钢的激光加工表面上，测量接触角，为159°(参照图1)；
使用100目的砂纸在不锈钢板的激光加工面反复摩擦，然后使用移液枪吸取去离子水置于不锈钢激光加工表面上，测量液滴接触角为155°(参照图2)。
实施例2
本实施例的宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法与实施例1基本相同，不同之处在于：
步骤S201中，设定激光打标速度为20mm/s，步骤S202中，激光加工路线如图8所示。不锈钢板的耐磨超疏水表面的电子显微镜结构如图7所示。
对上述的具备耐磨超疏水表面的不锈钢板进行测试：
使用移液枪吸取4ul的去离子水置于不锈钢的激光加工表面上，测量接触角，为162°；
使用100目的砂纸在不锈钢板的激光加工面反复摩擦，然后使用移液枪吸取去离子水置于不锈钢激光加工表面上，测量液滴接触角为157°。
实施例3
本实施例的宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法与实施例1基本相同，不同之处在于：
步骤S201中，设定光斑直径为70um；
步骤S202中，设计阵列图案中的小图案为正方形，激光相邻平行路线的距离为70um用于形成纳米结构，小图案之间距离为75um形成微米结构。
对上述的具备耐磨超疏水表面的不锈钢板进行测试：
使用移液枪吸取4ul的去离子水置于不锈钢的激光加工表面上，测量接触角，为158°(参照图3)；
使用100目的砂纸在不锈钢板的激光加工面反复摩擦，然后使用移液枪吸取去离子水置于不锈钢激光加工表面上，测量液滴接触角为154°(参照图4)。
实施例4
本实施例的宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法与实施例3基本相同，不同之处在于：
步骤S201中，设定激光打标速度为10mm/s。
对上述的具备耐磨超疏水表面的不锈钢板进行测试：
使用移液枪吸取4ul的去离子水置于不锈钢的激光加工表面上，测量接触角，为163°；
使用100目的砂纸在不锈钢板的激光加工面反复摩擦，然后使用移液枪吸取去离子水置于不锈钢激光加工表面上，测量液滴接触角为158°。
对比例为未经激光加工的不锈钢板，使用移液枪吸取水置于不锈钢板表面上，测量液滴接触角和滚动角，为接触角为53°(参照图5)。
实施例5
本实施例的宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法与实施例1基本相同，不同之处在于：
S201、首先采用不同参数的红外激光对不锈钢板的表面进行加工，确定选用的红外激光参数，光斑直径60um，激光打标速度为1mm/s，跳转速度为50mm/s，频率为20Khz，打标次数为1次，红外激光加工的功率为600-1800W范围内；
S3、将红外激光加工完成后的金属件在真空箱进行退火处理，真空箱内的真空度为0.05Mpa，退火处理的温度为60℃，退火处理的时间为1h，在不锈钢板形成耐磨超疏水表面。
对上述的具备耐磨超疏水表面的不锈钢板进行测试：
使用移液枪吸取4ul的去离子水置于不锈钢的激光加工表面上，测量接触角，为155°；
使用100目的砂纸在不锈钢板的激光加工面反复摩擦，然后使用移液枪吸取去离子水置于不锈钢激光加工表面上，测量液滴接触角为151°。
实施例6
本实施例的宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法与实施例1基本相同，不同之处在于：
S201、首先采用不同参数的红外激光对不锈钢板的表面进行加工，确定选用的红外激光参数，光斑直径60um，激光打标速度为120mm/s，跳转速度为300mm/s，频率为100Khz，打标次数为16次，红外激光加工的功率为600-1800W范围内；
S3、将红外激光加工完成后的金属件在真空箱进行退火处理，真空箱内的真空度为0.1Mpa，退火处理的温度为120℃，退火处理的时间为20h，在不锈钢板形成耐磨超疏水表面。
对上述的具备耐磨超疏水表面的不锈钢板进行测试：
使用移液枪吸取4ul的去离子水置于不锈钢的激光加工表面上，测量接触角，为157°；
使用100目的砂纸在不锈钢板的激光加工面反复摩擦，然后使用移液枪吸取去离子水置于不锈钢激光加工表面上，测量液滴接触角为153°。
通过实施例1-6可以得出，实施例1-6所得的不锈钢板的耐磨超疏水表面的水滴接触角均大于158°，具备超疏水效果，经砂纸打磨后仍具备大于150°的水滴接触角，仍具备超疏水效果。可见，本发明的加工方法所得的不锈钢板的耐磨超疏水表面具备超疏水效果和优异的耐磨效果。
根据本发明实施例的一种宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法和金属件的其他构成等以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“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。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对金属件进行清洗；
S2、以红外激光在金属件表面加工得到阵列图案，所述阵列图案由小图案组成，所述小图案的边缘为微米结构，所述小图案的内部为纳米结构，所述微米结构的顶面高于所述纳米结构的顶面；
S3、将红外激光加工完成后的金属件在真空环境进行退火处理，在金属件形成耐磨超疏水表面。
2.根据权利要求1所述的宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法，其特征在于，所述步骤S2中，红外激光在金属表面加工所述微米结构时，激光相邻路线的距离大于光斑直径。
3.根据权利要求1所述的宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法，其特征在于，所述步骤S2中，红外激光在金属表面加工所述纳米结构时，激光相邻路线的距离等于光斑直径。
4.根据权利要求2所述的宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法，其特征在于，所述步骤S2中，红外激光在金属表面加工所述微米结构时，激光相邻路线的距离与光斑直径的差值为5-10μm。
5.根据权利要求1所述的宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法，其特征在于，所述小图案呈几何形状，所述小图案边缘凸起即为所述微米结构，所述小图案内部的阵列结构即为所述纳米结构；
相邻两个所述小图案的距离为5-10μm。
6.根据权利要求1所述的宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法，其特征在于，所述步骤S2中，首先采用不同参数的红外激光对金属件的表面进行加工，确定选用的红外激光参数，然后设计阵列图案，并将阵列图案输入红外激光器，最后以预设的红外激光参数和阵列图案在金属件表面加工得到阵列图案。
7.根据权利要求1所述的宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法，其特征在于，所述步骤S2中，激光打标速度为1-120mm/s，跳转速度为50-300mm/s，频率为20-100Khz，打标次数为1-16次。
8.根据权利要求6所述的宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法，其特征在于，所述步骤S2中，红外激光加工的功率为600-1800W。
9.根据权利要求1所述的宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法，其特征在于，所述步骤S3中，将红外激光加工完成后的金属件在真空箱中进行退火处理；
所述真空箱内的真空度为0.05-0.1Mpa，退火处理的温度为60℃-120℃，退火处理的时间为1-20h。
10.一种金属件，其特征在于，所述金属件具有耐磨超疏水表面，所述耐磨超疏水表面由权利要求1-9任一项所述的宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法加工而成。
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