RU2640895C1 - Method for forming structured surface on aluminium and its alloys - Google Patents
Method for forming structured surface on aluminium and its alloys Download PDFInfo
- Publication number
- RU2640895C1 RU2640895C1 RU2016130994A RU2016130994A RU2640895C1 RU 2640895 C1 RU2640895 C1 RU 2640895C1 RU 2016130994 A RU2016130994 A RU 2016130994A RU 2016130994 A RU2016130994 A RU 2016130994A RU 2640895 C1 RU2640895 C1 RU 2640895C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- parts
- anodizing
- alloys
- roughness
- aluminum
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- ing And Chemical Polishing (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электрохимической обработке алюминия и его сплавов для придания поверхности многомодальной шероховатости, которая может служить основой для повышения гидрофобности изделий и снижения их обледенения при низких температурах.The invention relates to the electrochemical processing of aluminum and its alloys to impart a multimodal surface roughness, which can serve as the basis for increasing the hydrophobicity of products and reducing their icing at low temperatures.
Известно, что супергидрофобного состояния поверхности возможно достичь на шероховатых поверхностях с низкой поверхностной энергией, на которых реализуется гетерогенный режим смачивания [1]. Применяя различные способы структурирования поверхности с использованием веществ, снижающих поверхностную энергию, можно достичь увеличения контактного угла смачивания до 150-160°, достигая состояния супергидрофобности. Известно, что на гидрофобных (супергидрофобных) покрытиях условия обледенения существенно отличаются от условий обледенения на гладких поверхностях - снижается температура и увеличивается время образования льда [2]. Таким образом, условием снижения обледенения изделий, эксплуатируемых в условиях низких температур и повышенной влажности, является повышенная шероховатость поверхности.It is known that the superhydrophobic state of a surface can be achieved on rough surfaces with low surface energy, on which a heterogeneous wetting regime is realized [1]. Using various methods of surface structuring using substances that reduce surface energy, it is possible to increase the contact wetting angle to 150-160 °, reaching a state of superhydrophobicity. It is known that on hydrophobic (superhydrophobic) coatings, the icing conditions differ significantly from the icing conditions on smooth surfaces — the temperature decreases and the ice formation time increases [2]. Thus, an increased surface roughness is a prerequisite for reducing icing of products operated at low temperatures and high humidity.
Известно, что структурирование поверхности алюминия можно выполнить химическими, механическими или электрохимическими способами [3, 4, 5].It is known that the structuring of the surface of aluminum can be performed by chemical, mechanical or electrochemical methods [3, 4, 5].
В известном способе, предлагаемом в [3], используются травители на основе концентрированных кислот - соляной, фтористоводородной. При обработке поверхности алюминия и его сплавов предлагаемым способом образцы погружаются в смесь концентрированных кислот, при этом происходит травление поверхности по дислокациям металла и поверхность приобретает неоднородную шероховатость. Способ требует использования специальных средств защиты. Способ является экологически опасным, т.к. в нем используются концентрированные кислоты.In the known method proposed in [3], etchants are used based on concentrated acids - hydrochloric, hydrofluoric. When treating the surface of aluminum and its alloys with the proposed method, the samples are immersed in a mixture of concentrated acids, while the surface is etched by metal dislocations and the surface acquires an inhomogeneous roughness. The method requires the use of special protective equipment. The method is environmentally hazardous, because It uses concentrated acids.
Известен способ подготовки поверхности алюминия, включающий пескоструйную обработку поверхности металла [4]. Металл обрабатывается частицами песка размером 50-180 мкм, что требует привлечения специального оборудования, использования достаточно больших мощностей. Кроме этого механическая обработка обеспечивает создание на поверхности алюминия только микронеоднородностей и для формирования наноразмерной компоненты шероховатости необходима дополнительная процедура.A known method of preparing the surface of aluminum, including sandblasting the surface of the metal [4]. The metal is processed by sand particles with a size of 50-180 microns, which requires the use of special equipment, the use of sufficiently large capacities. In addition, machining ensures that only microinhomogeneities are created on the aluminum surface, and an additional procedure is required to form the nanoscale roughness component.
Известен способ формирования гидрофобной поверхности на сплаве алюминия путем анодирования металла в растворах фосфорной кислоты с последующей модификацией органическими веществами, например лауриновой или стеариновой кислотами [5]. Для создания такой поверхности проводится двухстадийное анодирование с промежуточным удалением первичного пористого оксида. Анодирование проводят при высоких напряжениях в течение длительного времени, дополнительно выполняют процедура уширения пор. Способ достаточно трудоемок и энергозатратен.A known method of forming a hydrophobic surface on an aluminum alloy by anodizing a metal in phosphoric acid solutions followed by modification with organic substances, such as lauric or stearic acids [5]. To create such a surface, two-stage anodizing is carried out with intermediate removal of the primary porous oxide. Anodizing is carried out at high voltages for a long time; the pore broadening procedure is additionally performed. The method is quite time-consuming and energy-intensive.
Наиболее близким к предлагаемому способу создания структурированной поверхности на алюминии и его сплавах является способ анодирования в растворах кислот, который и принят в качестве прототипа. В этом способе на поверхности металла формируется пористый оксид алюминия, характеристики которого (толщина, диаметр и толщина стенок пор) задаются параметрами процесса (химическим составом и температурой электролита, плотностью тока, напряжением и временем анодирования) [6]. Диаметр пор оксида варьируют в пределах 20-200 нм, толщину оксида до 100 мкм, создавая бимодальную шероховатость на поверхности деталей из алюминия и его сплавов. Перед анодированием детали из алюминия моют, обрабатывают в растворах щелочи и термообрабатывают. После длительного (до 5-ти часов) анодирования проводят процедуру уширения пор оксида.Closest to the proposed method for creating a structured surface on aluminum and its alloys is the method of anodizing in acid solutions, which is adopted as a prototype. In this method, porous alumina is formed on the metal surface, the characteristics of which (thickness, diameter and wall thickness of the pores) are determined by the process parameters (chemical composition and temperature of the electrolyte, current density, voltage and anodization time) [6]. The pore diameter of the oxide varies between 20-200 nm, the thickness of the oxide is up to 100 μm, creating a bimodal roughness on the surface of parts made of aluminum and its alloys. Before anodizing, aluminum parts are washed, treated in alkali solutions and heat treated. After a long (up to 5 hours) anodizing, the procedure for broadening the pores of the oxide is carried out.
Однако этот способ получения структурированной поверхности деталей является достаточно сложным, длительным и энергозатратным.However, this method of obtaining a structured surface of the parts is quite complex, lengthy and energy-intensive.
Технический результат предлагаемого технического решения заключается в том, что оно обеспечивает создание покрытия с многомодальной (микро- и наноразмерной) шероховатостью, которое может служить подслоем для формирования гидрофобной (супергидрофобной) поверхности. Это позволит снизить обледенение изделий из алюминия и его сплавов при их эксплуатации в условиях низких температур.The technical result of the proposed technical solution is that it provides the creation of a coating with multimodal (micro- and nanoscale) roughness, which can serve as a sublayer for the formation of a hydrophobic (superhydrophobic) surface. This will reduce the icing of aluminum products and its alloys during their operation at low temperatures.
Технический результат достигается тем, что детали из алюминия или его сплавов промывают, обрабатывают в растворе щелочи, затем промывают повторно, высушивают и анодируют при комнатной температуре в 10М растворе азотной кислоты при плотности тока 10-100 мА/см2 в течение 5-10 мин, затем моют и высушивают.The technical result is achieved by the fact that parts of aluminum or its alloys are washed, treated in an alkali solution, then washed again, dried and anodized at room temperature in a 10M nitric acid solution at a current density of 10-100 mA / cm 2 for 5-10 minutes then washed and dried.
Способ включает в себя подготовку поверхности (мытье, обработку в растворе щелочи с последующим мытьем и сушкой) и анодирование в 10М водном растворе азотной кислоты в гальваностатическом режиме при плотности тока 10-100 мА/см2 при комнатной температуре в течение 5-10 мин. Затем детали моют и высушивают.The method includes surface preparation (washing, treatment in an alkali solution, followed by washing and drying) and anodizing in a 10M aqueous solution of nitric acid in the galvanostatic mode at a current density of 10-100 mA / cm 2 at room temperature for 5-10 minutes. Then the parts are washed and dried.
В результате такой обработки на поверхности алюминия или его сплава создается покрытие из оксида алюминия с шероховатостью как микро-, так и наноразмерного уровня.As a result of this treatment, an aluminum oxide coating with a roughness of both micro- and nanoscale levels is created on the surface of aluminum or its alloy.
Предлагаемое техническое решение поясняется примером.The proposed technical solution is illustrated by an example.
Пример 1. Образцы плоской алюминиевой жести промывали в растворе бикарбоната натрия, промывали в дистиллированной воде, обрабатывали в 3% растворе NaOH при 50°С в течение 30 с, промывали в дистиллированной воде и анодировали при плотности тока 10 мА/см2 и 50 мА/см2 в течение 10-ти мин, при плотности тока 100 мА/см2 в течение 5-ти мин. Затем образцы промывали в дистиллированной воде и высушивали. На фиг. 1 приведены снимки поверхности анодированных образцов, полученные с помощью цифрового оптического микроскопа и их профили поверхности: а - плотность тока 100 мА/см2, б - 50 мА/см2, в - 10 мА/см2. Проведена оценка параметров шероховатости покрытий, выполненная в программе ScanMaster. Результаты приведены в таблице.Example 1. Samples of flat aluminum sheet were washed in a solution of sodium bicarbonate, washed in distilled water, treated in a 3% NaOH solution at 50 ° C for 30 s, washed in distilled water and anodized at a current density of 10 mA / cm 2 and 50 mA / cm 2 for 10 min, at a current density of 100 mA / cm 2 for 5 min. Then the samples were washed in distilled water and dried. In FIG. Figure 1 shows the surface images of anodized samples obtained using a digital optical microscope and their surface profiles: a -
Из полученных изображений и параметров шероховатости, представленных в таблице, видно, что с увеличением плотности тока анодирования параметры шероховатости - Rmax - наибольшая высота профиля, Rg - корень квадратный из среднего квадрата отклонения точки от профиля, Rz - высота неровностей профиля по десяти точкам, Ra - среднее арифметическое отклонение профиля - для оксидов, сформированных при плотности тока 100 мА/см2 заметно выше, чем для оксидов, полученных при меньших токах.From the obtained images and roughness parameters presented in the table, it can be seen that with increasing anodizing current density, the roughness parameters are R max is the maximum height of the profile, R g is the square root of the mean square deviation of the point from the profile, R z is the height of the profile irregularities in ten points, R a is the arithmetic mean deviation of the profile — for oxides formed at a current density of 100 mA / cm 2 is noticeably higher than for oxides obtained at lower currents.
На фиг. 2 приведен снимок поверхности анодированного при плотности тока 100 мА/см2 алюминия, полученный с помощью атомно-силового микроскопа SolverNexT. На снимке видны как микронеоднородности, так и поры оксида размером 50-100 нм.In FIG. Figure 2 shows a photograph of the surface of aluminum anodized at a current density of 100 mA / cm 2 , obtained using a SolverNexT atomic force microscope. The image shows both microinhomogeneities and oxide pores of 50-100 nm in size.
Пример 2. На поверхность образцов, подготовленных аналогично Примера 1, наносился тонкий слой гидрофобной жидкости (фторкарбоновой смолы). На фиг. 3 приведены снимки капель дистиллированной воды объемом 5 мкл, нанесенные на обработанные поверхности. Контактный угол смачивания на всех образцах превышает 90°, что свидетельствует о том, что поверхности проявляют гидрофобные свойства. Угол смачивания зависит от режима анодирования и увеличивается с ростом плотности тока анодирования. Контактный угол смачивания поверхности оксида, сформированного при 100 мА/см2, составляет ~149°, что сравнимо с величиной контактного угла смачивания супергидрофобных покрытий.Example 2. On the surface of samples prepared similarly to Example 1, a thin layer of hydrophobic liquid (fluorocarbon resin) was applied. In FIG. Figure 3 shows snapshots of 5 μl distilled water droplets deposited on treated surfaces. The contact wetting angle on all samples exceeds 90 °, which indicates that the surfaces exhibit hydrophobic properties. The wetting angle depends on the anodization mode and increases with increasing anodization current density. The contact angle of wetting of the surface of the oxide formed at 100 mA / cm 2 is ~ 149 °, which is comparable with the contact angle of contact of superhydrophobic coatings.
Таким образом, структурирование поверхности алюминия и его сплавов предлагаемым способом позволяет достаточно просто сформировать на поверхности покрытие с многомодальной шероховатостью, которое после нанесения на него тонкого слоя гидрофобного агента приобретает гидрофобные свойства, что позволяет обеспечить снижение возможного обледенения изделий при низких температурах.Thus, the structuring of the surface of aluminum and its alloys by the proposed method makes it quite simple to form a coating with multimodal roughness on the surface, which, after applying a thin layer of a hydrophobic agent to it, acquires hydrophobic properties, which allows to reduce the possible icing of products at low temperatures.
Источники информацииInformation sources
1. Бойнович Л.Б., Емельяненко A.M. Гидрофобные материалы и покрытия: принципы создания, свойства и применение // Успехи химии. 2008, т. 77, с. 619-638.1. Boynovich LB, Emelianenko A.M. Hydrophobic materials and coatings: principles of creation, properties and application // Advances in Chemistry. 2008, t. 77, p. 619-638.
2. G. Momen, М. Farzaneh and J.M. Asselin. Wettability behavior of superhydrofobic silicone rubber coatings at supercooled temperatures. The 14th International Workshop on Atmospheric Icing of Structures, Chongqing, China, May 8 - May 13, 2011.2. G. Momen, M. Farzaneh and J.M. Asselin. Wettability behavior of superhydrofobic silicone rubber coatings at supercooled temperatures. The 14th International Workshop on Atmospheric Icing of Structures, Chongqing, China, May 8 - May 13, 2011.
3. Qian, В.Т.; Shen, Z.Q. Fabrication of superhydrophobic surfaces by dislocation-selective chemical etching on aluminum, copper, and zinc substrates. Langmuir 2005, 21, 9007-9009.3. Qian, W.T .; Shen, Z.Q. Fabrication of superhydrophobic surfaces by dislocation-selective chemical etching on aluminum, copper, and zinc substrates. Langmuir 2005, 21, 9007-9009.
4. US заявка 2010/0028615. вылож. 4.02.2010. Метод изготовления супергидрофобной поверхности и твердое тело с супергидрофобной поверхностью, полученной этим методом.4. US application 2010/0028615. laid out. 02/04/2010. A method of manufacturing a superhydrophobic surface and a solid with a superhydrophobic surface obtained by this method.
5. Cui Guo, Xue-wei Wang, Zhi-hao Yuan. Pore diameter-dependence wettability of porous anodized aluminum oxide membranes. J. Porous Mater (2013) 20: 673-677DOI 10.1007/s 10934-012-9641-7.5. Cui Guo, Xue-wei Wang, Zhi-hao Yuan. Pore diameter-dependence wettability of porous anodized aluminum oxide membranes. J. Porous Mater (2013) 20: 673-677 DOI 10.1007 / s 10934-012-9641-7.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016130994A RU2640895C1 (en) | 2016-07-27 | 2016-07-27 | Method for forming structured surface on aluminium and its alloys |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016130994A RU2640895C1 (en) | 2016-07-27 | 2016-07-27 | Method for forming structured surface on aluminium and its alloys |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2640895C1 true RU2640895C1 (en) | 2018-01-12 |
Family
ID=68235554
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016130994A RU2640895C1 (en) | 2016-07-27 | 2016-07-27 | Method for forming structured surface on aluminium and its alloys |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2640895C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2786261C1 (en) * | 2022-07-25 | 2022-12-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук (ИФХЭ РАН) | Method for obtaining a superhydrophobic surface based on copper composites |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2263164C1 (en) * | 2004-08-10 | 2005-10-27 | Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (статус государственного учреждения) (Институт химии ДВО РАН) | Method of application of protective coatings based on aluminum and its alloys |
US20100028615A1 (en) * | 2006-07-05 | 2010-02-04 | Postech Academy-Industry Foundation | Method for fabricating superhydrophobic surface and solid having superhydrophobic surface structure by the same method |
RU2486295C1 (en) * | 2012-02-28 | 2013-06-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук | Method to produce protective superhydrophobic coatings on steel |
-
2016
- 2016-07-27 RU RU2016130994A patent/RU2640895C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2263164C1 (en) * | 2004-08-10 | 2005-10-27 | Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (статус государственного учреждения) (Институт химии ДВО РАН) | Method of application of protective coatings based on aluminum and its alloys |
US20100028615A1 (en) * | 2006-07-05 | 2010-02-04 | Postech Academy-Industry Foundation | Method for fabricating superhydrophobic surface and solid having superhydrophobic surface structure by the same method |
RU2486295C1 (en) * | 2012-02-28 | 2013-06-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук | Method to produce protective superhydrophobic coatings on steel |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2786261C1 (en) * | 2022-07-25 | 2022-12-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук (ИФХЭ РАН) | Method for obtaining a superhydrophobic surface based on copper composites |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2038452B1 (en) | Method for fabricating superhydrophobic surface | |
US7323221B2 (en) | Coating of objects | |
CN103272484B (en) | Method for preparing high-hydrophobicity microporous membrane | |
KR20130134826A (en) | Method for manufacturing a self-cleanable superhydrophobic tip for high-precision droplet dispensers and the tip manufactured by the method | |
JP2016529404A (en) | Anodizing architecture for electroplating adhesion | |
CN103817059B (en) | The preparation method and its product of aluminium super hydrophobic surface | |
JP5425111B2 (en) | Method for producing a three-dimensional structure having a hydrophobic surface using an immersion method | |
JP2017510717A (en) | Process for the production and use of polished nanostructured metal surfaces with water and ice repellent properties | |
CN112609218A (en) | Preparation method of super-hydrophobic micro-arc oxidation composite membrane | |
JP2009200352A (en) | Method of manufacturing electrode foil | |
CN102732934A (en) | Method for sealing aluminum alloy anodic oxide film pores through using silica sol | |
CN105689237A (en) | Manufacturing method for super-hydrophobic metal surface | |
Sooksaen et al. | Chemical treatment on aluminum alloy for hydrophobic surfaces | |
CN115532564A (en) | Preparation method of 7075 aluminum alloy ultra-smooth anti-icing surface | |
JP5337823B2 (en) | Method for producing a three-dimensional structure having a hydrophobic surface using metal foil | |
RU2640895C1 (en) | Method for forming structured surface on aluminium and its alloys | |
KR20170005259A (en) | Method for manufactiring anodic metal oxide nanoporous template | |
Peng et al. | A facile approach for preparing biomimetic polymer macroporous structures with petal or lotus effects | |
CN103665415A (en) | Preparation method of superhydrophobic microporous polymer film material | |
Moon | A blade-abrading method for surface pretreatment of Mg alloys | |
CN108147793A (en) | A kind of preparation method of gradient porous ceramics film | |
RU2555013C1 (en) | Method of producing hydrophobic or hydrophilic porous silicon | |
Luo et al. | Fabrication of superhydrophobic surfaces on aluminum alloy by simple chemical etching method | |
Gujela et al. | Anodic aluminum oxide (AAO) nano membrane fabrication under different conditions | |
Momen et al. | Superhydrophobic RTV silicone rubber coatings on anodized aluminium surfaces |