本發(fā)明屬于金屬基微結(jié)構(gòu)功能表面制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種激光打標(biāo)機(jī)制備鋁合金超疏水功能表面的方法。

背景技術(shù)：

鋁及其合金是一種非常重要的工程金屬材料，因其具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、易加工成型、耐腐蝕性優(yōu)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、船舶、建筑、航空航天及機(jī)械制造等工業(yè)領(lǐng)域。但對(duì)于海上運(yùn)輸行業(yè)來(lái)說(shuō)，船舶等海上運(yùn)輸工具長(zhǎng)期工作在苛刻的海水介質(zhì)和海洋環(huán)境中，由于氯離子等還原性離子的存在.易造成鋁及其合金在海水中的鈍態(tài)不穩(wěn)定性，使材料的抗腐蝕性降低；同時(shí)船體長(zhǎng)期處于海水中易造成海洋生物粘附，增加其行駛阻力，使船只的使用和維護(hù)成本不斷增加。如何尋找一種行之有效、經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的方法來(lái)提高金屬材料在海水中的使用性能，成為研究人員亟待解決的問(wèn)題。

20世紀(jì)80年代，德國(guó)波恩大學(xué)的植物學(xué)家Barthlott和Neihuis通過(guò)對(duì)荷葉表面結(jié)構(gòu)的觀察發(fā)現(xiàn)其表面存在著的微米級(jí)凸起和蠟狀組織結(jié)構(gòu)，使得荷葉具有超疏水性(即水滴落在葉子表面會(huì)自動(dòng)聚集成水珠滾落下來(lái))引起了世界范圍內(nèi)的極大關(guān)注。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)超疏水表面存在著諸多優(yōu)點(diǎn)，若將超疏水表面作用于金屬材料上可起到自清潔、抗腐蝕、滑移減阻、減小摩擦、增強(qiáng)光的吸收率等效果。例如超疏水表面用于石油運(yùn)輸管道中，可防止管道壁粘滯減小運(yùn)輸過(guò)程中的損耗及能量消耗；超疏水表面用于光學(xué)儀器、傳感器以及太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置等部件中，可有效地減少對(duì)光的反射，最大限度的吸收入射光；超疏水材料用于航舶等行業(yè)，如在船體涂上一層超疏水薄膜，可大大降低船只行進(jìn)過(guò)程中與水的摩擦，節(jié)省燃油；超疏水材料用于生物醫(yī)用組織如人工血管、血管支架、人工心臟瓣膜等結(jié)構(gòu)表面上，可改善生物的血液相容性，減少血栓形成的幾率。因此用激光打標(biāo)機(jī)作用于鋁合金表面，制備出具有超疏水性的功能微結(jié)構(gòu)表面，可提高鋁合的耐腐蝕性、滑移減阻性、耐磨擦性。

目前金屬基超疏水功能表面的制備方法主要有化學(xué)刻蝕法、陽(yáng)極氧化法、氣相沉積法、激光燒蝕法等。激光刻蝕技術(shù)因其適應(yīng)性廣，加工質(zhì)量穩(wěn)定、加工尺寸可控而受到人們的廣泛關(guān)注。如申請(qǐng)?zhí)枮?00810019368.7的專利公開(kāi)了一種金屬基超疏水性微結(jié)構(gòu)表面的激光制備方法，采用氧化法或覆膜法由飛秒激光于真空環(huán)境下制備出金屬基微結(jié)構(gòu)表面，可在不經(jīng)任何表面處理的情況下實(shí)現(xiàn)材料表面的超疏水性。申請(qǐng)?zhí)枮?00910021923.4的專利公開(kāi)了一種飛秒激光制備金屬材料表面超疏水微結(jié)構(gòu)的方法，該方法利用飛秒激光輻射場(chǎng)在金屬靶材料表面上誘導(dǎo)產(chǎn)生周期為50nm-50μm、接觸角為150°—175°不同尺度和圖案的金屬微納米結(jié)構(gòu)超疏水表面。申請(qǐng)?zhí)枮?01510279045.1的專利公開(kāi)了一種利用超短脈沖激光制備鋁合金超疏水自清潔表面的方法，該方法是在經(jīng)預(yù)處理的鋁合金樣片表面利用超短脈沖激光加工出無(wú)數(shù)微結(jié)構(gòu)，之后放入電熱干燥箱內(nèi)烘烤得到表面具有微米級(jí)乳突狀或多孔狀結(jié)構(gòu)的鋁合金超疏水表面。

以上所述的超疏水表面的制備方法均能獲得較好的超疏水效果，但也存在一些問(wèn)題，如采用飛秒激光器使加工成本增高，有的對(duì)工作環(huán)境要求苛刻(需在真空環(huán)境加工)不適合工業(yè)化生產(chǎn)。如何使用簡(jiǎn)單易行的方法制備出穩(wěn)定的超疏水功能表面，滿足其在工業(yè)方面的應(yīng)用顯得尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的飛秒激光器成本高、對(duì)工作環(huán)境要求苛刻的缺陷，提供一種激光打標(biāo)機(jī)制備鋁合金超疏水功能表面的方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種激光打標(biāo)機(jī)制備鋁合金超疏水功能表面的方法，包括如下步驟：

(1)預(yù)處理：將鋁合金樣品打磨、超聲清洗并烘干后，得到潔凈的鋁合金樣品；

(2)激光微加工：采用紅外激光打標(biāo)機(jī)對(duì)樣品表面進(jìn)行激光掃面處理；

(3)硅烷化處理：將經(jīng)激光微加工后的樣品進(jìn)行超聲波清洗；將清洗后的樣品放入十六烷基三甲基硅烷的乙醇溶液中浸泡，使樣品表面形成一層超疏水膜，經(jīng)沖洗后烘干，即得到功能性超疏水表面。

進(jìn)一步地，步驟(1)中所述的打磨操作為，將鋁合金樣片依次經(jīng)過(guò)400#、1000#、3000#砂紙打磨，所述超聲清洗是將經(jīng)打磨后的樣品依次用無(wú)水乙醇和蒸餾水進(jìn)行超聲波清洗，清洗溫度為40-60℃，清洗20-30min，所述烘干條件為在60-80℃的恒溫烘箱內(nèi)干燥5-10min。

作為優(yōu)選，步驟(2)所述的激光掃描處理的工藝參數(shù)為，激光波長(zhǎng)為1064nm，最大激光輸出功率為20w、激光頻率為20kHz、處理時(shí)使用的電流密度為11-14A。

作為優(yōu)選，步驟(2)所述的激光掃面處理過(guò)程中激光的掃描速度為500-1500mm/s、單次曝光時(shí)間為2-5ms、相鄰掃描線之間的間隔為30-50μm，且單次樣品處理過(guò)程中掃描速度、單次曝光時(shí)間、相鄰掃描線之間的間隔均保持不變。

進(jìn)一步地，步驟(3)所述的十六烷基三甲基硅烷的乙醇溶液中十六烷基三甲基硅烷質(zhì)量百分含量為1-4％。

作為優(yōu)選，步驟(3)所述浸泡時(shí)間為10-12h。

具體地，所述的紅外激光打標(biāo)機(jī)包括激光器以及沿所述激光器輸出的激光束傳播方向的X軸反射鏡、Y軸反射鏡和F-θ透鏡，所述X軸反射鏡由X軸電機(jī)帶動(dòng)沿X軸轉(zhuǎn)動(dòng)，所述Y軸反射鏡由Y軸電機(jī)帶動(dòng)沿Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)。X軸電機(jī)和Y軸電機(jī)均由計(jì)算機(jī)控制，激光束最終經(jīng)F-θ透鏡將平行光束聚焦于一點(diǎn)后落到工件上，從而實(shí)現(xiàn)激光打標(biāo)。

有益效果：(1)制備工藝簡(jiǎn)單、原料易得。采用激光微加工技術(shù)和硅烷化處理技術(shù)相結(jié)合的方法，在大氣環(huán)境下即可實(shí)現(xiàn)鋁合金超疏水功能表面的制備。

(2)加工成本較飛秒激光器低、加工參數(shù)獨(dú)立可控。采用紅外激光打標(biāo)機(jī)可通過(guò)計(jì)算機(jī)編程可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣、直線、網(wǎng)格狀微結(jié)構(gòu)的掃描；同時(shí)激光的平均功率、掃描速度、單次曝光時(shí)間、相鄰掃描線之間的間隔等工藝參數(shù)獨(dú)立可控。

(3)所制得的鋁合金超疏水功能表面具粗糙的微結(jié)構(gòu)，對(duì)水的接觸角為150°左右。

(4)所制得的鋁合金超疏水功能表面有良好的抗腐蝕性、滑移減阻性，可應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)、船舶的上部結(jié)構(gòu)、隔板結(jié)構(gòu)等，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

圖1激光打標(biāo)機(jī)加工流程示意圖；

圖2激光打標(biāo)機(jī)振鏡系統(tǒng)原理圖；

圖3紅外激光打標(biāo)機(jī)制備得到的鋁合金超疏水功能表面微觀結(jié)構(gòu)圖；

圖4紅外激光打標(biāo)機(jī)制備得到的鋁合金超疏水功能表面的接觸角示意圖；

其中1.計(jì)算機(jī)，2.激光器，3.激光束，4.X軸電機(jī)，5.X軸反射鏡，6.Y軸電機(jī)，7.F-θ透鏡，8.Y軸反射鏡。

具體實(shí)施方式

圖1為激光打標(biāo)機(jī)加工流程示意圖。首先通過(guò)上位機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)對(duì)激光加工參數(shù)進(jìn)行設(shè)置生成打標(biāo)數(shù)據(jù)；然后把打標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破魃?，控制器一方面控制激光器，根?jù)打標(biāo)數(shù)據(jù)設(shè)置激光的能量密度；另一方面控制振鏡掃描系統(tǒng)，對(duì)激光器發(fā)出的激光通過(guò)振鏡系統(tǒng)內(nèi)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制激光的傳播路徑，實(shí)現(xiàn)高精度打標(biāo)。

圖2為激光打標(biāo)機(jī)振鏡掃描系統(tǒng)原理圖。通過(guò)計(jì)算機(jī)1設(shè)置激光加工參數(shù)，控制激光器2輸出激光束3，將激光束入射到X軸反射鏡5和Y軸反射鏡8上，同時(shí)利用計(jì)算機(jī)1分別控制X軸電機(jī)4和Y軸電機(jī)6運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)X軸反射鏡5和Y軸反射鏡8分別沿X、Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)F-θ透鏡7將平行光束聚焦于一點(diǎn)后落到工件上，從而實(shí)現(xiàn)激光打標(biāo)。

為了更好的理解本發(fā)明，以下結(jié)合具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)的介紹。下述實(shí)施例中所述實(shí)驗(yàn)方法如無(wú)特殊說(shuō)明均為常規(guī)方法，所述試劑和材料如無(wú)特殊說(shuō)明均從商業(yè)途徑可獲得。

實(shí)施例1

本實(shí)施例的激光打標(biāo)機(jī)制備鋁合金超疏水功能表面的方法，包括如下步驟：

(1)預(yù)處理：將待處理的6061鋁合金樣片依次經(jīng)400^#、1000^#、3000^#砂紙打磨，經(jīng)打磨處理后的樣品依次用無(wú)水乙醇和蒸餾水進(jìn)行超聲波清洗，超聲溫度為40～60℃，時(shí)間為20～30min，再在60～80℃恒溫烘箱中干燥5～10min，得到潔凈的鋁合金樣品；

(2)激光微加工：采用紅外激光打標(biāo)機(jī)調(diào)節(jié)好相關(guān)的工藝參數(shù)對(duì)樣品表面進(jìn)行激光掃描處理；激光的波長(zhǎng)為1064nm、最大激光輸出功率為16W、激光頻率為20kHz、加工時(shí)使用的電流密度為13A、激光孔徑為80μm，采用點(diǎn)陣加工單次曝光時(shí)間為5ms、相鄰掃描線之間的間隔為50μm。

(3)硅烷化處理：將經(jīng)激光加工后的樣品放入超聲波清洗機(jī)內(nèi)依次用無(wú)水乙醇、蒸餾水在40～60℃恒溫下超聲清洗20～30min，以清除加工飛沫；將清洗干凈的鋁合金樣品置于1％wt十六烷基三甲氧基硅烷的乙醇溶液中在室溫下浸泡10～12h,使樣品表面形成一層疏水薄膜，然后取出依次用乙醇、去離子水沖洗，再放入60～80℃恒溫烘箱中干燥20～30min，即制得所述的功能性超疏水表面。

本實(shí)例制得的鋁合金超疏水功能表面微觀結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，表面呈微米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)。

本實(shí)例制得的鋁合金超疏水功能表面的接觸角如圖4所示，與水的接觸角為148°。

應(yīng)當(dāng)理解，以上所描述的具體實(shí)施例僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。由本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。