本發(fā)明涉及一種金屬材料表面改性技術(shù)，特別涉及一種無需修飾的仿生超疏水鋁合金防冰表面的制備方法。

背景技術(shù)：

表面凍粘現(xiàn)象一直以來都嚴(yán)重影響著社會(huì)生產(chǎn)和人民生活的各個(gè)領(lǐng)域(如交通、農(nóng)業(yè)、電力、水利、航空等)，對(duì)生產(chǎn)效率、可靠性和安全性造成了嚴(yán)重威脅。目前，對(duì)于凍黏現(xiàn)象的研究主要是基于界面粘附理論和簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)式防治技術(shù)，主要包括：熱力除冰法、機(jī)械除冰法等被動(dòng)式除冰的方法，但是此類方法同樣帶來了很多問題，如能耗高、危險(xiǎn)性大且會(huì)造成表面損壞及加速設(shè)備老化等。因此，基于凍粘機(jī)理和規(guī)律進(jìn)行新型的防止冰覆技術(shù)的研究，已成為國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者亟待解決的重要課題。

研究發(fā)現(xiàn)，主動(dòng)式防冰覆方法可以從根本上實(shí)現(xiàn)防止冰覆，避免了被動(dòng)式除冰方法帶來的諸多問題。主動(dòng)式防冰覆方法的關(guān)鍵在于防止液態(tài)水滴在材料表面粘附和凝結(jié)，以及避免液態(tài)水在材料表面由液態(tài)水向固態(tài)水的轉(zhuǎn)換過程。

受到自然界中許多植物和昆蟲體表特殊的疏水特性的啟發(fā)，如荷葉、玫瑰花瓣、萬壽菊花瓣、稻葉、水黽、蝴蝶翅膀和蚊子眼睛等，很多國(guó)內(nèi)外的專家對(duì)這種特殊的表面性質(zhì)進(jìn)行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，在普通金屬材料表面制備出這種仿生超疏水材料，并將其應(yīng)用于實(shí)際工程中，可以在不同材料表面實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式防冰覆的效果。目前，研究者們已經(jīng)開發(fā)出多種方法研制新型超疏水防冰表面，如化學(xué)刻蝕法、機(jī)械方法以及有機(jī)、無機(jī)物涂層等制備方法。通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)過程，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)表面結(jié)構(gòu)及疏水性的調(diào)節(jié)，然而，這些制備的超疏水表面的方法往往存在工藝復(fù)雜、成本高、機(jī)械性能差等缺點(diǎn)，難以廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。相比之下，表面退火技術(shù)制備超疏水防冰覆表面是一種更經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、有效的制備技術(shù)，可以被廣泛用于制備大面積具有有序微觀結(jié)構(gòu)的超疏水表面以及改善鋁合金表面穩(wěn)定和耐久性，因此對(duì)于開發(fā)工業(yè)兼容的鋁基超疏水表面加工技術(shù)的意義重大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是要解決上述背景技術(shù)中超疏水防冰表面制備方法往往存在工藝復(fù)雜、成本高、機(jī)械性能差等缺點(diǎn)，難以廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，而提供一種無需修飾的仿生超疏水鋁合金防冰表面的制備方法。

本發(fā)明仿照天然生物體表面微觀結(jié)構(gòu)的特征，采用激光雕刻技術(shù)在鋁合金表面制備出微柱形陣列結(jié)構(gòu)，后經(jīng)濕法刻蝕方法獲得類荷葉表面的微納米分級(jí)結(jié)構(gòu)，經(jīng)表面退火處理后，鋁合金表面即可呈現(xiàn)超疏水特性，改善了鋁合金表面的穩(wěn)定性和耐久性，具有廣泛的應(yīng)用前景。

一種無需修飾的仿生超疏水鋁合金防冰表面的制備方法，包括以下步驟：

a、對(duì)鋁合金表面進(jìn)行預(yù)處理：鋁合金表面依次用800#，1500#，2000#砂紙打磨去除表面氧化層，將打磨后的鋁合金表面依次放置于丙酮、無水乙醇和蒸餾水中超聲波清洗，除去表面的污垢；

b、表面微納米層級(jí)結(jié)構(gòu)制備：利用激光雕刻機(jī)對(duì)預(yù)處理后的鋁合金表面進(jìn)行激光燒蝕處理，制備具有微觀結(jié)構(gòu)的鋁合金表面，微觀表面的參數(shù)為直徑30μm-80μm圓柱形陣列結(jié)構(gòu)，相鄰兩個(gè)圓柱的圓心間距為80μm-150μm；

隨后再次將具有微結(jié)構(gòu)的鋁合金表面依次放置于丙酮、無水乙醇和蒸餾水中超聲波清洗，除去表面的污垢；將清洗后的樣品放入濃度為0.3-0.6mol/l氯化銅溶液中45-70s，體積為100ml。隨后放入蒸餾水中超聲波清洗，去除表面殘留液；

c、表面退火處理：將清洗后的具有微納結(jié)構(gòu)鋁合金表面放入真空干燥箱中，退火溫度為60-260℃，退火時(shí)間90-120min；室溫下冷卻；

所述步驟b中采用非接觸式激光雕刻加工的方式，加工精度高，高速快捷，可制備出具有規(guī)則陣列結(jié)構(gòu)的微柱形結(jié)構(gòu)表面，便于批量生產(chǎn)；

所述步驟c中退火溫度不同，將會(huì)對(duì)鋁合金表面的疏水性能產(chǎn)生直接影響，退火溫度過高或過低都將導(dǎo)致表面疏水性能下降，因此退火溫度是制備該表面的重要參數(shù)。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明的制備方法其操作簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)參數(shù)可控且成本低廉，此方法可用于批量制造超疏水性能的表面，在使用工況下，該表面具有較好的防冰性能、良好的穩(wěn)定性和耐久性，適合廣泛的推廣和使用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明退火溫度分別為60℃、100℃、140℃、180℃和220℃制得表面的接觸角曲線示意圖。

圖2是本發(fā)明退火溫度分別為60℃、100℃、140℃、180℃和220℃制得表面的防冰/疏冰實(shí)驗(yàn)效果圖。

具體實(shí)施方式

請(qǐng)參閱圖1和圖2所示，本發(fā)明涉及一種無需修飾的仿生超疏水鋁合金防冰表面的制備方法，以天然生物體中超疏水性微觀結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)原型，采用激光雕刻技術(shù)和濕法刻蝕的方式制備微納米層級(jí)結(jié)構(gòu)表面，經(jīng)表面退火處理后獲得超疏水防冰表面。

該方法首先采用激光燒蝕的加工工藝，目的在于設(shè)計(jì)并改變鋁合金表面的形貌，制備出規(guī)則的微柱形陣列結(jié)構(gòu)，后經(jīng)濕法刻蝕的方式獲得具有微納米層級(jí)結(jié)構(gòu)表面；該分級(jí)結(jié)構(gòu)表面經(jīng)退火處理后，即可呈現(xiàn)超疏水特性，具體步驟如下：

a、對(duì)鋁合金表面進(jìn)行預(yù)處理：鋁合金表面依次用800#，1500#，2000#砂紙打磨去除表面氧化層，將打磨后的鋁合金表面依次放置于丙酮、無水乙醇和蒸餾水中超聲波清洗，除去表面的污垢；

b、表面微納米層級(jí)結(jié)構(gòu)制備：利用激光雕刻機(jī)對(duì)預(yù)處理后的鋁合金表面進(jìn)行激光燒蝕處理，制備具有微觀結(jié)構(gòu)的鋁合金表面，微觀表面的參數(shù)為直徑30μm-80μm圓柱形陣列結(jié)構(gòu)，相鄰兩個(gè)圓柱的圓心間距為80μm-150μm，隨后再次將具有微結(jié)構(gòu)的鋁合金表面依次放置于丙酮、無水乙醇和蒸餾水中超聲波清洗，除去表面的污垢；將清洗后的樣品放入濃度為0.3-0.6mol/l氯化銅溶液中45-70s，體積為100ml，隨后放入蒸餾水中超聲波清洗，去除表面殘留液；

c、表面退火處理：將清洗后的具有微納米層級(jí)結(jié)構(gòu)鋁合金表面放入真空干燥箱中，退火溫度為60-220℃，退火時(shí)間60-120min，室溫下冷卻；

所述步驟b中退火溫度的不同，會(huì)影響其表面的疏水性能；

本發(fā)明所采用的鋁合金板面積為20*20mm2，板厚2mm。

實(shí)施例1

一種無需修飾的仿生超疏水鋁合金防冰表面的制備方法，具體步驟如下：

a、對(duì)鋁合金板進(jìn)行預(yù)處理：鋁合金板依次用800#，1500#，2000#砂紙打磨去除表面氧化層，將打磨后的鋁合金表面依次放置于丙酮、無水乙醇和蒸餾水中超聲波清洗，除去表面的污垢；

b、表面微納米層級(jí)結(jié)構(gòu)制備：利用激光雕刻機(jī)對(duì)預(yù)處理后的鋁合金表面進(jìn)行激光燒蝕處理，制備具有微觀結(jié)構(gòu)的鋁合金表面，微觀表面的參數(shù)為直徑30μm-80μm圓柱形陣列結(jié)構(gòu)，相鄰兩個(gè)圓柱的圓心間距為80μm-150μm；

隨后再次將具有微結(jié)構(gòu)的鋁合金表面依次放置于丙酮、無水乙醇和蒸餾水中超聲波清洗，除去表面的污垢；將清洗后的樣品放入濃度為0.4mol/l氯化銅溶液中55s，體積為100ml，隨后放入蒸餾水中超聲波清洗，去除表面殘留液；

c、表面退火處理：將清洗后的具有微納米層級(jí)結(jié)構(gòu)鋁合金表面放入真空干燥箱中，退火溫度為58℃，退火時(shí)間80min，室溫下冷卻。

實(shí)施例2

一種無需修飾的仿生超疏水鋁合金防冰表面的制備方法，具體步驟如下：

a、對(duì)鋁合金板進(jìn)行預(yù)處理：鋁合金板依次用800#，1500#，2000#砂紙打磨去除表面氧化層，將打磨后的鋁合金表面依次放置于丙酮、無水乙醇和蒸餾水中超聲波清洗，除去表面的污垢；

b、表面微納米層級(jí)結(jié)構(gòu)制備：利用激光雕刻機(jī)對(duì)預(yù)處理后的鋁合金表面進(jìn)行激光燒蝕處理，制備具有微觀結(jié)構(gòu)的鋁合金表面，微觀表面的參數(shù)為直徑30μm-80μm圓柱形陣列結(jié)構(gòu)，相鄰兩個(gè)圓柱的圓心間距為80μm-150μm；隨后再次將具有微結(jié)構(gòu)的鋁合金表面依次放置于丙酮、無水乙醇和蒸餾水中超聲波清洗，除去表面的污垢；將清洗后的樣品放入濃度為0.45mol/l氯化銅溶液中60s，體積為100ml，隨后放入蒸餾水中超聲波清洗，去除表面殘留液；

c、表面退火處理：將清洗后的具有微納米層級(jí)結(jié)構(gòu)鋁合金表面放入真空干燥箱中，退火溫度為100℃，退火時(shí)間95min，室溫下冷卻。

實(shí)施例3

一種無需修飾的仿生超疏水鋁合金防冰表面的制備方法，具體步驟如下：

a、對(duì)鋁合金板進(jìn)行預(yù)處理：鋁合金板依次用800#，1500#，2000#砂紙打磨去除表面氧化層，將打磨后的鋁合金表面依次放置于丙酮、無水乙醇和蒸餾水中超聲波清洗，除去表面的污垢；

b、表面微納米層級(jí)結(jié)構(gòu)制備：利用激光雕刻機(jī)對(duì)預(yù)處理后的鋁合金表面進(jìn)行激光燒蝕處理，制備具有微觀結(jié)構(gòu)的鋁合金表面，微觀表面的參數(shù)為直徑30μm-80μm圓柱形陣列結(jié)構(gòu)，相鄰兩個(gè)圓柱的圓心間距為80μm-150μm；

隨后再次將具有微結(jié)構(gòu)的鋁合金表面依次放置于丙酮、無水乙醇和蒸餾水中超聲波清洗，除去表面的污垢，將清洗后的樣品放入濃度為0.55mol/l氯化銅溶液中65s，體積為100ml，隨后放入蒸餾水中超聲波清洗，去除表面殘留液。

c、表面退火處理：將清洗后的具有微納米層級(jí)結(jié)構(gòu)鋁合金表面放入真空干燥箱中，退火溫度為140℃，退火時(shí)間110min，室溫下冷卻。

實(shí)施例4

一種無需修飾的仿生超疏水鋁合金防冰表面的制備方法，具體步驟如下：

a、對(duì)鋁合金板進(jìn)行預(yù)處理：鋁合金板依次用800#，1500#，2000#砂紙打磨去除表面氧化層，將打磨后的鋁合金表面依次放置于丙酮、無水乙醇和蒸餾水中超聲波清洗，除去表面的污垢；

b、表面微納米層級(jí)結(jié)構(gòu)制備：利用激光雕刻機(jī)對(duì)預(yù)處理后的鋁合金表面進(jìn)行激光燒蝕處理，制備具有微觀結(jié)構(gòu)的鋁合金表面，微觀表面的參數(shù)為直徑30μm-80μm圓柱形陣列結(jié)構(gòu)，相鄰兩個(gè)圓柱的圓心間距為80μm-150μm；

隨后再次將具有微結(jié)構(gòu)的鋁合金表面依次放置于丙酮、無水乙醇和蒸餾水中超聲波清洗，除去表面的污垢；將清洗后的樣品放入濃度為0.5mol/l氯化銅溶液中60s，體積為100ml，隨后放入蒸餾水中超聲波清洗，去除表面殘留液；

c、表面退火處理：將清洗后的具有微納米層級(jí)結(jié)構(gòu)鋁合金表面放入真空干燥箱中，退火溫度為180℃，退火時(shí)間115min，室溫下冷卻。

實(shí)施例5

一種無需修飾的仿生超疏水鋁合金防冰表面的制備方法，具體步驟如下：

a、對(duì)鋁合金板進(jìn)行預(yù)處理：鋁合金板依次用800#，1500#，2000#砂紙打磨去除表面氧化層，將打磨后的鋁合金表面依次放置于丙酮、無水乙醇和蒸餾水中超聲波清洗，除去表面的污垢；

b、表面微納米層級(jí)結(jié)構(gòu)制備：利用激光雕刻機(jī)對(duì)預(yù)處理后的鋁合金表面進(jìn)行激光燒蝕處理，制備具有微觀結(jié)構(gòu)的鋁合金表面，微觀表面的參數(shù)為直徑30μm-80μm圓柱形陣列結(jié)構(gòu)，相鄰兩個(gè)圓柱的圓心間距為80μm-150μm；

隨后再次將具有微結(jié)構(gòu)的鋁合金表面依次放置于丙酮、無水乙醇和蒸餾水中超聲波清洗，除去表面的污垢；將清洗后的樣品放入濃度為0.55mol/l氯化銅溶液中68s，體積為100ml，隨后放入蒸餾水中超聲波清洗，去除表面殘留液；

c、表面退火處理：將清洗后的具有微納米層級(jí)結(jié)構(gòu)鋁合金表面放入真空干燥箱中，退火溫度為220℃，退火時(shí)間115min，室溫下冷卻。