專利名稱：一種鋁合金仿生超疏水表面的制備方法
技術領域：
:本發明涉及金屬材料表面改性技術，特別是涉及鋁合金基體上仿生超疏水表面的制備方法。
背景技術：
:自然界大量的生物表面，經過億萬年的自然選擇與進化，形成了天然合理的超疏水性結構。荷葉、玫瑰花瓣和萬壽菊等天然生物表面的微納米尺度雙層分級結構和化學成分，展現了優異的超疏水性，也賦予了它們自潔性和高粘附性，這就是著名的“荷葉效應”和“花瓣效應”的典型現象。因此，在工程材料設計和制造方面，這些自然的表面結構常常被用作模擬結構。近年來，金屬材料疏水性薄膜的制備得到越來越多的關注。鋁合金因其具有低密度，優良的導熱和導電性，高比強度和優良的鑄造性，可回收等優異特性，而成為重要的結構材料，在航空航天、汽車工業、建筑和鐵路等領域中已得到廣泛應用。對于改善鋁合金表面性能，制備具有微納米尺度雙層分級結構的超疏水性表面將是一個有前途的技術研究。仿生超疏水表面的制備方法很多，目前國內外普遍有化學蝕刻法，模板法，電化學法，光刻法，溶膠-凝膠法，層層自組裝法等。化學蝕刻法是通過將樣品浸泡在刻蝕劑中使樣品表面形成凹坑狀結構。而激光加工法可在樣品表面形成高度統一的微尺度彈坑狀結構，應用的較少。針對在鋁合金基體上制備微納米尺度雙層分級結構超疏水表面，改善鋁合金表面性能，實現表面高粘附的問題，是一種新的嘗試，對這種表面處理技術的新工藝、新原料的設計，其意義重大
發明內容
:本發明的目的在于提聞表面的疏水性，提供一種招合金基體上仿生超疏水表面的制備方法。本發明是仿照荷葉、玫瑰花和萬壽菊等植物葉片超疏水性微觀結構的特征，采用激光加工和化學刻蝕結合的技術手段，并通過在修飾液中進行表面修飾，在鋁合金表面制備具有荷葉、玫瑰花、和萬壽菊葉片和花瓣表面的微納米尺度雙層分級結構的仿生超疏水表面，其提高鋁合金表面的疏水性和粘附性等，使其得到廣泛的應用。為了達到上述目的，本發明的設計法案為:首先以無水乙醇清洗鋁合金為前處理工藝。然后在鋁合金表面進行激光加工，在試樣表面加工出無數微尺度的彈坑狀結構。再將試樣浸入化學刻蝕溶液中，使試樣表面的形貌特征發生改變，使表面含有不同于基體的化學元素物質，并且在鋁合金表面形成微納米尺度雙層分級結構。反應完成后，將經過化學刻蝕后的鋁合金試樣放入含有DTS的甲苯溶液中進行修飾，在其表面逐漸形成低表面能的薄膜，從而在表面結構與表面材料共同作用下具有典型生物超疏水性，且具有花瓣效應的粘附性。一種鋁合金基體上仿生超疏水表面的制備方法，其特征在于:
步驟一，該方法首先以無水乙醇清洗鋁合金為前處理工藝；步驟二，然后在鋁合金表面進行激光加工，在試樣表面加工出無數微尺度的彈坑狀結構；步驟三，再將試樣浸入化學刻蝕溶液中，使試樣表面的形貌特征發生改變，同時表面含有不同于基體的化學元素物質，并且在鋁合金表面形成微納米尺度雙層分級結構；步驟四，反應完成后，將經過化學刻蝕后的鋁合金試樣放入含有DTS的甲苯溶液中進行修飾，在其表面逐漸形成低表面能的薄膜，使具有微納米雙層分級結構的鋁合金表面具有典型生物超疏水性，并具有典型花瓣效應的粘附性。步驟二所說的激光加工，其工藝為在鋁合金表面上加工出無數直徑為大約50 μ m的彈坑狀小孔結構，在不同的表面上分別加工不同間距的彈坑，相鄰彈坑狀小孔中心的加工間距分別為60 μ m 250 μ m。加工間距的不同，會影響表面彈坑狀小孔的數量，具有不同的微觀結構。步驟三所說的化學刻蝕溶液，其主要組成是三水硝酸銅Cu (NO3) 2.3H20加入到質量濃度為5%的硝酸溶液HNO3中配成4mmol/L的硝酸銅溶液Cu (NO3)2 ;硝酸和硝酸銅混合液濃度的不同，會影響試樣表面的形貌特征和生成新物質的質量，此濃度為化學刻蝕溶液的最優濃度，刻蝕溫度為:80°C。步驟三所說的化學刻蝕，選擇不同樣品進行一次性刻蝕，刻蝕時間分別為20s 90s;鋁合金試樣浸入時間的不同，會影響試樣表面的形貌特征和生成新物質的質量。步驟三所說的微納米尺度雙層分級結構的形成:第一層是在鋁合金表面進行激光加工出無數微尺度的彈坑狀結構，第二層是激光加工的鋁合金表面在化學刻蝕溶液中發生化學置換反應，在鋁合金試樣微米級彈坑狀結構的表面上再形成納米級的網狀多孔結構。步驟四所說的DTS甲苯溶液，其成分為含有600 μ LDTS的40mL的甲苯溶液，修飾溫度為室溫，時間為lh，在鋁合金表面形成地表面能薄膜。步驟四中的典型生物超疏水表面特征，包括荷葉、玫瑰花瓣和萬壽菊等植物葉表的微納米尺度雙層分級結構。有益效果:這種鋁合金基體上仿生超疏水表面具有微納米尺度雙層分級結構，其接觸角大于150°，達到超疏水。與基體產生良好的結合，在使用工況下，疏水性能增強，并且實現表面的高粘附性，與簡單的化學刻蝕相比，該發明有明顯進步。


:圖1為刻蝕后激光加工表面的SEM圖，其中:圖1 (a)刻蝕時間為20s ；圖1 (b)刻蝕時間為40s ；圖1 (C)刻蝕時間為60s ；圖1 (d)刻蝕時間為90s。圖2為激光加工和兩步法制備的表面的SEM圖，其中:圖2 (a)激光加工距離為60 μ m ;圖2 (b)激光加工距離為100 μ m ;
圖2 (C)激光加工距離為140 μ m;圖2 (d)激光加工距離為60 μ m并且刻蝕60s ；圖2 (e)激光加工距離為100 μ m并且刻蝕60s ；圖2 (f)激光加工距離為140 μ m并且刻蝕60s。圖3為激光加工不同尺寸并刻蝕以及DTS修飾后的樣品表面的接觸角，其中:激光加工尺寸由左向右依次分別為0，60，100，140，190，250 μ m。
具體實施方式
:以下進一步說明本發明的具體內容及其實施方式。本發明所述的一種鋁合金仿生超疏水表面的制備方法，首先，進行鋁合金基體仿生表面的設計:以天然生物材料為設計藍本，在鋁合金基體上設計天然生物復合材料微細結構分布的結構特征的表面。以鋁合金基體進行仿生超疏水性表面的設計:鋁合金因其具有低密度，優良的導熱和導電性，高比強度和優良的鑄造性等優勢在現代工業中具有廣闊的應用前景，但因其金屬表面疏水性差很大程度上制約了其在工業上的應用。本發明可以改善鋁合金表面疏水性，實現高粘附性。以鋁合金材料為基體，進行激光加工與化學刻蝕相結合的方法進行表面處理，將預處理后的鋁合金試樣進行激光加工,相鄰凹坑中心點的加工間距為60-250 μ m。將激光加工后的鋁合金試樣浸入到化學刻蝕溶液中，主要組成是三水硝酸銅Cu(N03)2.3H20加入到質量濃度為5%的硝酸溶液HNO3中配成4mmol/L的硝酸銅溶液Cu(NO3)2，浸入時間為20_90s，進行化學反應。將化學刻蝕后的鋁合金試樣浸入修飾液中，修飾液為含有600 μ LDTS的40mL的甲苯溶液，浸入時間為lh，在鋁合金表面形成低表面能的薄膜。由于鋁合金表面形成了仿生微納米尺度雙層分級結構，并且在其表面修飾了低表面能薄膜，使得鋁合金表面具有了典型生物超疏水性，并具有典型花瓣效應的粘附性。所說的激光加工，其工藝為在鋁合金表面上加工出無數直徑為大約50 μ m的彈坑狀小孔結構，在不同的表面上分別加工不同間距的彈坑，相鄰彈坑狀小孔中心的加工間距分別為60 μ m 250 μ m。加工間距的不同，會影響表面彈坑狀小孔的數量，具有不同的微觀結構。所說的化學刻蝕溶液，其主要組成是三水硝酸銅Cu (NO3) 2.3H20加入到質量濃度為5%的硝酸溶液HNO3中配成4mmol/L的硝酸銅溶液Cu (NO3)2 ;硝酸和硝酸銅混合液濃度的不同，會影響試樣表面的形貌特征和生成新物質的質量，此濃度為化學刻蝕溶液的最優濃度，刻蝕溫度為:80°C。所說的化學刻蝕，選擇不同樣品進行一次性刻蝕，刻蝕時間分別為20s 90s ;招合金試樣浸入時間的不同，會影響試樣表面的形貌特征和生成新物質的質量。所說的微納米尺度雙層分級結構的形成:第一層是在鋁合金表面進行激光加工出無數微尺度的彈坑狀結構，第二層是激光加工的鋁合金表面在化學刻蝕溶液中發生化學置換反應，在鋁合金試樣微米級彈坑狀結構的表面上再形成納米級的網狀多孔結構。所說的DTS甲苯溶液，其成分為含有600 μ LDTS的40mL的甲苯溶液，修飾溫度為室溫，時間為lh，在鋁合金表面形成地表面能薄膜。所說的典型生物超疏水表面特征，包括荷葉、玫瑰花瓣和萬壽菊等植物葉表的微納米尺度雙層分級結構。鋁合金基體上仿生超疏水表面的制備方法按以下步驟進行:1、揭示典型生物疏水表面其微觀結構和分布特征規律。2、對鋁合金試樣進行預處理:將鋁合金試樣置于無水乙醇溶液中進行超聲波清洗IOmin,除去試樣表面的污垢。3、激光加工:將預處理后的鋁合金試樣進行激光加工，在鋁合金表面加工出無數直徑為大約50μπι的彈坑狀小孔結構，在不同的表面上分別加工不同間距的彈坑，相鄰彈坑狀小孔中心的加工間距分別為60 μ m 250 μ m。4、化學刻蝕:將激光加工后的率合金試樣浸入到化學刻蝕溶液中，主要組成是三水硝酸銅Cu (NO3)2.3H20加入到質量濃度為5%的硝酸溶液HNO3中配成4mmol/L的硝酸銅溶液Cu (NO3)2，溫度為:80°C，不同樣品進行一次性刻蝕，刻蝕時間分別為20s 90s，在激光加工的鋁合金表面進行化學置換反應。在鋁合金試樣微米級彈坑狀結構的表面形成納米級的網狀多孔結構，也就是在鋁合金基體上形成微納米尺度雙層分級結構表面。5、仿生超疏水表面的制備:將化學刻蝕后的招合金試樣浸入到修飾液中，其成分為含有600 μ LDTS的40mL的甲苯溶液浸入時間為lh。在鋁合金表面形成低表面能薄膜，使具有微納米尺度雙層分級結構的鋁合金表面具有典型生物超疏水性。
權利要求
1.一種招合金基體上仿生超疏水表面的制備方法，其特征在于: 步驟一，該方法首先以無水乙醇清洗鋁合金為前處理工藝； 步驟二，然后在鋁合金表面進行激光加工，在試樣表面加工出無數微尺度的彈坑狀結構； 步驟三，再將試樣浸入化學刻蝕溶液中，使試樣表面的形貌特征發生改變，同時表面含有不同于基體的化學元素物質，并且在鋁合金表面形成微納米尺度雙層分級結構； 步驟四，反應完成后，將經過化學刻蝕后的鋁合金試樣放入含有DTS的甲苯溶液中進行修飾，在其表面逐漸形成低表面能的薄膜，使具有微納米雙層分級結構的鋁合金表面具有典型生物超疏水性，并具有典型花瓣效應的粘附性。
2.根據權利要求1所述的一種鋁合金基體上仿生超疏水表面的制備方法，其特征在于: 步驟二所說的激光加工，其工藝為在鋁合金表面上加工出無數直徑為大約50 μ m的彈坑狀小孔結構，在不同的表面上分別加工不同間距的彈坑，相鄰彈坑狀小孔中心的加工間距分別為60 μ m 250 μ m,加工間距的不同，會影響表面彈坑狀小孔的數量，具有不同的微觀結構。
3.根據權利要求1所述的一種鋁合金基體上仿生超疏水表面的制備方法，其特征在于: 步驟三所說的化學刻蝕溶液，其主要組成是三水硝酸銅Cu (NO3) 2.3H20加入到質量濃度為5%的硝酸溶液HNO3中配成4mmol/L的硝酸銅溶液Cu (NO3)2 ;硝酸和硝酸銅混合液濃度的不同，會影響試樣表面的形貌特征和生成新物質的質量，此濃度為化學刻蝕溶液的最優濃度，刻蝕溫度為:80°C。
4.根據權利要求1或3所述的一種鋁合金基體上仿生超疏水表面的制備方法，其特征在于: 步驟三所說的化學刻蝕，選擇不同樣品進行一次性刻蝕，刻蝕時間分別為20s 90s ；鋁合金試樣浸入時間的不同，會影響試樣表面的形貌特征和生成新物質的質量。
5.根據權利要求1所述的鋁合金基體上仿生超疏水表面的制備方法，其特征在于: 步驟三所說的微納米尺度雙層分級結構的形成:第一層是在鋁合金表面進行激光加工出無數微尺度的彈坑狀結構，第二層是激光加工的鋁合金表面在化學刻蝕溶液中發生化學置換反應，在鋁合金試樣微米級彈坑狀結構的表面上再形成納米級的網狀多孔結構。
6.根據權利要求1所述的一種鋁合金基體上仿生超疏水表面的制備方法，其特征在于: 步驟四所說的DTS甲苯溶液，其成分為含有600 μ LDTS的40mL的甲苯溶液，修飾溫度為室溫，時間為lh，在鋁合金表面形成地表面能薄膜。
7.根據權利要求1所述的一種鋁合金基體上仿生超疏水表面的制備方法，其特征在于: 步驟四中的典型生物超疏水表面特征，包括荷葉、玫瑰花瓣和萬壽菊等植物葉表的微納米尺度雙層分級結構。
全文摘要
本發明涉及金屬材料表面改性技術，特別是涉及鋁合金基體上仿生超疏水表面的制備方法，目的在于提高鋁合金表面的疏水性能。該方法首先以無水乙醇清洗鋁合金為前處理工藝。然后在鋁合金表面進行激光加工，在試樣表面加工出無數微尺度的彈坑狀結構。再將試樣浸入化學刻蝕溶液中，使試樣表面的形貌特征發生改變，同時表面含有不同于基體的化學元素物質，并且在鋁合金表面形成微納米尺度雙層分級結構。反應完成后，將經過化學刻蝕后的鋁合金試樣放入含有DTS的甲苯溶液中進行修飾，在其表面逐漸形成低表面能的薄膜，使具有微納米雙層分級結構的鋁合金表面具有典型生物超疏水性，并具有典型花瓣效應的粘附性。
文檔編號C23F4/04GK103204457SQ201310079939
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月14日 優先權日2013年3月14日
發明者劉燕, 劉金丹, 李淑一, 劉家安, 韓志武, 任露泉 申請人:吉林大學