本發(fā)明涉及金屬材料的處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種減阻銅表面的制備方法。

背景技術(shù)：

黃銅作為一種重要的工程金屬材料，因其具有良好的力學性能、熱塑性、切削性、易焊接、導電導熱性好、價格便宜等特點，常被用于制造冷凝器、水管、空調(diào)內(nèi)外機連接管、散熱器、銷釘、導管等零部件。但銅的表面能較高，易吸附空氣中的水分造成腐蝕破裂，影響產(chǎn)品的使用性能和使用壽命。

20世紀80年代，德國波恩大學的植物學家barthlott和neihuis通過對荷葉表面結(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自動聚集成水珠滾落下來)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，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、增強光的吸收率等效果。例如超疏水表面用于石油運輸管道中，可防止管道壁粘滯減小運輸過程中的損耗及能量消耗；超疏水表面用于光學儀器、傳感器以及太陽能轉(zhuǎn)換裝置等部件中，可有效地減少對光的反射，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過程中與水的摩擦，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。

疏水表面的形態(tài)將影響表面水分的凝結(jié)和吸收的狀態(tài)，從而使氣體介入到液體潤滑膜系統(tǒng)；氣體的存在可以起到減阻效應(yīng)。氣層減阻最為典型的實例應(yīng)用為氣穴船，其通過船底造型形成氣膜層把船體和水隔開，從而減小了粘性阻力，如瑞典海事研究所通過彈性膠帶構(gòu)建密封倉形成了氣穴減阻機制；韓國的jinhoj.等通過船模研究了氣穴面積和減阻率的關(guān)系^[36]；土耳其科技大學的gokcays.等制作了具有斷階結(jié)構(gòu)的船模，從而通過氣穴效應(yīng)實現(xiàn)了減阻性能^[37]等，從這些研究中可以看到氣體潤滑由于其摩擦阻力小和穩(wěn)定的性能，因此，氣體潤滑也為工業(yè)界所應(yīng)用，如氣體潤滑軸承等。借助于此思想，合理的設(shè)計零部件的滑動表面使其產(chǎn)生氣層實現(xiàn)減阻功能，是一種潤滑新理念。

疏水表面的構(gòu)建方法不同于普通的織構(gòu)制備方法，對于普通織構(gòu)的加工制備多采用vibrorolling技術(shù)、反應(yīng)離子刻蝕(rie)技術(shù)、壓刻技術(shù)、表面噴丸處理、uv-liga技術(shù)、數(shù)控機械加工技術(shù)、激光表面織構(gòu)加工(lst)技術(shù)等，而這些方法大多數(shù)加工表面只能是規(guī)則的二維圓形/方形/菱形等的組合。并且該生產(chǎn)方法有一定的優(yōu)點，但也存在一些問題，如采用飛秒激光器作為激光打標機使加工成本增高，有的對工作環(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)。因此如何使用簡單易行的方法制備出穩(wěn)定的超疏水微結(jié)構(gòu)表面，滿足其在工業(yè)方面的應(yīng)用顯得尤為重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種類荷葉微納多級結(jié)構(gòu)減阻銅表面的制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中具有減阻性銅表面難以生產(chǎn)的問題。

為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種減阻銅表面的制備方法，其包括以下步驟：

1)對純銅或含銅的合金進行預(yù)處理，形成基底一，純銅中的銅含量為99.9％，含銅的合金中的銅含量為80％以上；

2)在基底一上鍍銅，具體為：將所述基底浸入含銅元素的化學鍍液中進行化學沉積，反應(yīng)完成后，形成表面帶有微米級乳突結(jié)構(gòu)的基底二；

3)在基底二上鍍鎳，具體為：將制備好的所述基底二作為陰極，純鎳板作為陽極，浸入電鍍液中進行電化學沉積，反應(yīng)完成后，形成帶有納米級絨毛晶結(jié)構(gòu)的基底三；

4)修飾，將基底三浸入低表面能的有機分子液中，獲得具有類荷葉超疏水表面的減阻銅。

優(yōu)選的，所述化學鍍液為含0.04mol/l的硫酸銅，0.008mol/l的硫酸鎳，0.08mol/l的次磷酸鈉，0.28mol/l的檸檬酸鈉，0.5mol/l的硼酸以及50ppm聚乙二醇的混合水溶液。

優(yōu)選的，所述電鍍液為含1mol/l的氯化鎳，0.5mol/l的硼酸和1.5mol/l的的混合水溶液。

優(yōu)選的，所述步驟1)中的預(yù)處理具體為：將所述純銅或含銅的合金用金相磨拋機打磨，在丙酮中超聲清洗，再堿洗酸洗，冷風干燥。

優(yōu)選的，所述堿洗所用堿溶液具體為：45-50g/lna3po4·12h2o,50-55g/lnaoh和3-8g/lna2sio3的混合液，且在室溫下堿洗一分鐘。

優(yōu)選的，所述酸洗所用酸溶液具體為：濃度為10％的h2so4溶液，在室溫下酸洗10s。

優(yōu)選的，所述低表面能的有機分子液為含氟硅烷溶液。

如上所述，本發(fā)明的類荷葉微納多級結(jié)構(gòu)減阻銅表面的制備方法，具有以下有益效果：本發(fā)明通過在含銅合金或者純銅的基底一上化學鍍銅和電化學鍍鎳，使其表面形成納米級絨毛晶結(jié)構(gòu)，使含銅合金或者純銅(本發(fā)明統(tǒng)稱金屬銅)形成類荷葉結(jié)構(gòu)的超疏水表面，該超疏水表面為類荷葉微納米多尺度層級表面，通過疏水接觸形態(tài)的改變，其將氣層引入到固液潤滑界面，即使液體潤滑劑與金屬銅表面間形成氣層，并且其乳突絨毛晶結(jié)構(gòu)有助于穩(wěn)定氣層的存在，而氣層的存在成功的將固液接觸比例降低，從而在液體與由金屬銅生產(chǎn)制造的零部件表面接觸的運動過程中，大大的減小摩擦阻力，進而提高零部件的適用壽命。

附圖說明

圖1顯示為的植物荷葉的結(jié)構(gòu)表面示意圖。

圖2顯示為本發(fā)明的基底三的類荷葉表面圖。

圖3顯示為圖2中的局部高倍放大圖。

圖4顯示為本發(fā)明形成的類荷葉表面的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5顯示為本發(fā)明的制備方法生產(chǎn)的金屬銅表面與液體接觸時的示意圖。

圖6顯示為本發(fā)明的制備方法生產(chǎn)的金屬銅表面的疏水模型示意圖。

圖7顯示為本發(fā)明的制備方法生產(chǎn)的金屬銅表面與水的接觸角度示意圖。

圖8顯示為不同表面對應(yīng)的摩擦系數(shù)與時間關(guān)系曲線。

元件標號說明

1銅表面

2微米級乳突

3納米級絨毛晶

4氣層

5液滴

具體實施方式

以下由特定的具體實施例說明本發(fā)明的實施方式，熟悉此技術(shù)的人士可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點及功效。

請參閱圖1至圖7。須知，本說明書所附圖式所繪示的結(jié)構(gòu)、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內(nèi)容，以供熟悉此技術(shù)的人士了解與閱讀，并非用以限定本發(fā)明可實施的限定條件，故不具技術(shù)上的實質(zhì)意義，任何結(jié)構(gòu)的修飾、比例關(guān)系的改變或大小的調(diào)整，在不影響本發(fā)明所能產(chǎn)生的功效及所能達成的目的下，均應(yīng)仍落在本發(fā)明所揭示的技術(shù)內(nèi)容所能涵蓋的范圍內(nèi)。同時，本說明書中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中間”及“一”等的用語，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本發(fā)明可實施的范圍，其相對關(guān)系的改變或調(diào)整，在無實質(zhì)變更技術(shù)內(nèi)容下，當亦視為本發(fā)明可實施的范疇。

本發(fā)明提供一種減阻銅表面的制備方法，其包括以下步驟：

1)對純銅或含銅的合金進行預(yù)處理，形成基底一，純銅中的銅含量為99.9％以上，含銅的合金中銅的含量為80％以上；

2)在基底一上鍍銅，具體為：將基底一浸入含銅元素的化學鍍液中進行化學沉積，反應(yīng)完成后，形成基底二；

3)在基底二上鍍鎳，具體為：將制備好的所述基底二作為陰極，純鎳板作為陽極，浸入電鍍液中進行電化學沉積，反應(yīng)完成后，微米級乳突表面上形成納米級絨毛晶結(jié)構(gòu)，即形成基底三；

4)修飾，將基底三浸入低表面能的有機分子液中進行表面修飾，獲得減阻銅。

本發(fā)明通過在含銅合金或者純銅的基底一上化學鍍銅和電化學鍍鎳，使其表面形成納米級絨毛晶結(jié)構(gòu)，使含銅合金或者純銅(本發(fā)明統(tǒng)稱金屬銅)形成類荷葉結(jié)構(gòu)的超疏水表面，例如圖2及圖3所示，該超疏水表面形態(tài)為類荷葉微納米多尺度層級表面，例如圖4所示，該表面形態(tài)為具有微米級乳突2，而在微米級乳突2上再形成納米級絨毛晶3。

本發(fā)明通過疏水接觸形態(tài)的改變，其將氣層引入到固液潤滑界面，即使液體潤滑劑與金屬銅表面間形成氣層，并且其乳突絨毛晶結(jié)構(gòu)有助于穩(wěn)定氣層的存在，而氣層的存在成功的將固液接觸比例降低，從而在液體與由金屬銅生產(chǎn)制造的零部件表面接觸的運動過程中，大大的減小摩擦阻力，進而提高零部件的適用壽命。

本實施例中的含銅元素的化學鍍液具體可為含0.03-0.04mol/l的硫酸銅，0.007-0.009mol/l的硫酸鎳，0.06-0.07mol/l的次磷酸鈉，0.25-0.29mol/l的檸檬酸鈉，0.4-0.6mol/l的硼酸以及50ppm聚乙二醇的混合水溶液。可通過控制上述步驟2)的反應(yīng)時間，以及相關(guān)反應(yīng)環(huán)境，以此可以控制上述微米級乳突2的結(jié)構(gòu)形態(tài)，使微米級乳突2的頂端是尖的也可以是圓的，還可以控制微米級乳突2的具體分布，其可以是密集的，也可以是疏散的。本實施例中的化學沉積所用的化學鍍液ph值為7-9，化學沉積時間為10-30min，化學沉積的反應(yīng)溫度為60°-80°。

為實現(xiàn)堿洗酸洗，本實施例中上述堿洗所用堿溶液具體為：45-50g/lna3po4·12h2o,50-55g/lnaoh和3-8g/lna2sio3的混合水液，且在室溫下堿洗一分鐘。本實施例中酸洗所用酸溶液具體為：濃度為10％的h2so4水溶液，在室溫下酸洗10s，并通過0.001mol/l氯化鈀溶液對其活化1min。

本實施例中低表面能的有機分子液為含氟硅烷溶液，本實施例中的含氟硅烷溶液為全氟辛基三乙氧基硅烷，通過乙醇溶劑稀釋至濃度為0.5-2％的質(zhì)量比。本發(fā)明所用的上述堿溶液、酸溶液和有機分子液不限于此，只需能將純銅和含銅合金的表面進行酸堿洗處理，除去其表面油脂等物質(zhì)即可，而有機分子液只需能完成最終的表面修飾即可。

上述步驟2)所述的在基底一上鍍銅，其通過化學沉積制備具有微米級乳突結(jié)構(gòu)的銅表面，可形成近似圖4中的微米級乳突2，上述步驟3)所述的在基底二上鍍鎳，其通過電化學沉積在微米級乳突2上制備了納米絨毛晶結(jié)構(gòu)獲得類荷葉結(jié)構(gòu)，可形成近似圖4中的納米級絨毛晶3。

具體實施例一：

1)將純銅或含銅的合金用200目到2000目的碳化硅砂紙進行金相打磨，在丙酮中超聲清洗；

2)再用50g/lna3po4·12h2o,50g/lnaoh和5g/lna2sio3的混合液在室溫下堿洗一分鐘，以除去純銅或含銅的合金的氧化物含量，比如油脂，

3)再用濃度為10％的h2so4溶液酸洗，酸洗時間為10s，進行冷風干燥，得到上述基底一；該基底一即基底銅片，其尺寸為：25mm×25mm×0.3mm；

4)再用0.001mol/l氯化鈀溶液活化1min；

5)在上述基底銅片上鍍銅，具體為：將基底一浸入含銅元素的化學鍍液中進行化學沉積，反應(yīng)完成后，形成表面帶有微米級乳突結(jié)構(gòu)的基底二，含銅元素的化學鍍液為含0.04mol/l的硫酸銅，0.008mol/l的硫酸鎳，0.08mol/l的次磷酸鈉，0.28mol/l的檸檬酸鈉，0.5mol/l的硼酸以及50ppm聚乙二醇的混合水溶液；本實施例中化學鍍液的ph值7-9，化學沉積的沉積時間10-30min，反應(yīng)溫度為60-80度。

6)在基底二上鍍鎳，具體為：將制備好的所述基底二作為陰極，純鎳板(99.99wt.％)作為陽極，浸入第二電鍍液中進行電化學沉積，第二電鍍液由1mol/l的氯化鎳，0.5mol/l的硼酸和1.5mol/l的鹽酸乙二胺組成，反應(yīng)完成后，微米級乳突表面上形成納米級絨毛晶結(jié)構(gòu)，即形成帶有納米級絨毛晶結(jié)構(gòu)的基底三，例如圖2及圖3所示，其結(jié)構(gòu)為典型類荷葉的層級表面；本實施例中的第二電鍍液的ph值為4，電鍍液溫度為60℃，電化學沉積時間為5min，電流密度為0.02a/cm2；

6)修飾，將基底三浸入含氟硅烷溶液中進行表面修飾，本實施例中含氟硅烷溶液為全氟辛基三乙氧基硅烷，通過乙醇溶劑稀釋至濃度為0.5-2％的質(zhì)量比，在室溫下待氟硅烷溶液中固化24小時，獲得類荷葉的減阻潤滑表面，即獲得具有類荷葉微納多級結(jié)構(gòu)的減阻銅表面。

圖1為植物荷葉的結(jié)構(gòu)表面示意圖，圖2為經(jīng)上述制備方法形成的一種銅表面，從圖1和圖2的對比可以看出，上述本實施例的制備方法生產(chǎn)的銅表面形態(tài)與植物荷葉的結(jié)構(gòu)表面形態(tài)相似度很高。具體地，采用上述實施例一的方法生產(chǎn)的減阻銅表面，其是一種具有1-1.5μm直徑和1.5μm高度的微米級乳突2，如圖4所示，和一種直徑100–400nm和高度為100–400nm的納米級絨毛晶3的復(fù)合多尺度結(jié)構(gòu)表面。上述制備過程簡單，生產(chǎn)成本較低，且形成的微米級乳突其結(jié)構(gòu)形態(tài)和分布可控。

下面具體描述經(jīng)上述制備方法生產(chǎn)的減阻銅表面的減阻性，本實施例生產(chǎn)的金屬銅表面其為類荷葉微納米多尺度層級表面，通過疏水接觸形態(tài)的改變，見圖5所示，將氣層4引入到銅表面1與液體潤滑劑界面(即液滴5)之間，并且其乳突絨毛晶結(jié)構(gòu)有助于穩(wěn)定氣層的存在。氣層4的存在，成功的將固液接觸比例降低，見圖6所示，液滴6(其可為水滴)基本成圓形，也就是見圖7所示銅表面1與液滴的接觸角為161.32°，本實施例的銅表面1與液滴的接觸角獲取方法為：利用光學接觸角測試儀(jgw-360b)在室溫下測量液滴體積為5μl的液滴分別在樣品的五5個不同位置處的接觸角，取平均值作為最終接觸角的值，因此液體與固體接觸面積減小，而中間形成的氣層4與銅表面1的接觸面積就增大，因此就達到減阻效果。從而在由具有上述銅表面的銅生產(chǎn)的機械零部件工程表面接觸運動過程中，大大的減小摩擦阻力，進而提高機械零部件的適用壽命。

如圖8所示為不同表面的摩擦系數(shù)與時間的關(guān)系曲線，本實施例中各曲線通過布魯克umt3多功能摩擦學試驗機進行潤滑性能實驗，選擇不銹鋼作為上試樣分別和光滑銅、微米單級銅和具有本實施例所得類荷葉微納多級銅表面進行對磨。并且將摩擦表面安裝在盛水器皿的托盤中。通過具有1nm精度的位移傳感器設(shè)置摩擦副表面之間的間隙為50μm。在室溫和70％的濕度環(huán)境進行測試。在旋轉(zhuǎn)速度為10rpm的工況下每0.5s記錄一個數(shù)據(jù)記錄20min得出。圖中s1為未經(jīng)處理過的光滑銅表面摩擦系數(shù)曲線，s2為具有微米單極的銅表面摩擦系數(shù)曲線，s3為經(jīng)上述類荷葉微納多級結(jié)構(gòu)減阻銅表面的制備方法生產(chǎn)的銅表面摩擦系數(shù)曲線。由此可以看出，具有表面疏水結(jié)構(gòu)的銅表面所得到摩擦系數(shù)遠遠低于光滑銅表面，即s2曲線表示的微米單極的銅表面摩擦系數(shù)低于s1曲線表示的銅表面摩擦系數(shù)；并且具有類荷葉微納多級結(jié)構(gòu)的銅表面其摩擦系數(shù)最低，即s3曲線，因此，具有類荷葉微納多級結(jié)構(gòu)的銅表面將能夠在運行過程中形成穩(wěn)定氣層，從而最大程度的減小摩擦過程中的阻力，達到提高機械零部件的適用壽命的目的。

綜上所述，本發(fā)明的類荷葉微納多級結(jié)構(gòu)減阻銅表面的制備方法，本發(fā)明通過在含銅合金或者純銅的基底一上化學鍍銅和電化學鍍鎳，使其表面形成納米級絨毛晶結(jié)構(gòu)，使含銅合金或者純銅(本發(fā)明統(tǒng)稱金屬銅)形成類荷葉結(jié)構(gòu)的超疏水表面。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。

上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。