一种电火花线切割制备超疏水金属表面的方法

摘要

一种电火花线切割制备超疏水金属表面的方法，涉及金属材料表面加工。通过低频振动装置既可以一次性加工出宏观形状不规则的超疏水金属曲面，也可先切出一个曲面后再进行振动加工。在金属平面上制备超疏水结构，加工过程中则可对金属表面的微米级尺度形貌进行设计，通过多次加工可以制造出具有类似方形梯台、菱形梯台、菱锥等表面形貌的微纳双层结构。直接利用低频振动辅助的电火花线切割加工制备超疏水金属表面，制备过程简单，加工效率高、且表面结构可控，是一种低成本、简单高效的制备方法。

权利要求

1.一种电火花线切割制备超疏水金属表面的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将低频振动装置安装在电火花线切割平台上，所述低频振动装置设有环形旋转工作台、旋转基座、振动模块、绝缘振动杆、电极丝套环、开关电源和伺服控制器；

2)将需加工的工件装夹于永磁吸盘上，在环形旋转工作台上调整绝缘振动杆与加工工件表面的相对位置，使得绝缘振动杆的振动方向与加工工件表面的进给方向始终保持垂直，加工超疏水曲面；

3)在旋转基座上承载振动模块，调整绝缘振动杆振动方向与加工工件表面进给方向间的角度；

4)开关电源为振动模块、环形旋转工作台和伺服控制器供能，振动模块在环形旋转工作台上运动，振动模块用于提供低频振动，采用伺服控制器对振动模块和环形旋转工作台进行程序控制，确保电极丝的振动方向与加工工件表面的进给方向始终保持垂直，使基于低频振动辅助的电火花线切割一次性加工超疏水金属曲面，或切出一个曲面后再进行振动加工；

5)由绝缘振动杆保持振动模块与电极丝的绝缘并将振动模块的振动传动到电极丝上；

6)电极丝套环带动电极丝与振动模块一起做往复运动，加工微米级的波纹结构，然后将加工工件置于乙醇溶液中利用超声波清洗，待工件自然风干后再置于氟硅烷的醇溶液中浸泡，最后进行干燥；

7)在金属平面上制备超疏水结构，加工过程中对金属表面的微米级尺度形貌进行设计，通过对加工工件重新装夹调整加工工件表面与电极丝的相对位置，即将加工工件旋转不同角度重新装夹进行加工，得到具有不同表面形貌的超疏水微纳双层结构金属表面。

2.如权利要求1所述一种电火花线切割制备超疏水金属表面的方法，其特征在于超疏水微纳双层结构的表面形貌为方形梯台、菱形梯台、菱锥。

3.如权利要求1所述一种电火花线切割制备超疏水金属表面的方法，其特征在于电极丝套环的直径比电极丝直径大0.1～0.2mm。

4.如权利要求1所述一种电火花线切割制备超疏水金属表面的方法，其特征在于超疏水微纳双层结构的微米级波纹结构宽度为30～180μm，深度为10～120μm，纳米级颗粒与气孔尺寸为10～500nm，静态接触角为150～160°。

5.如权利要求1所述一种电火花线切割制备超疏水金属表面的方法，其特征在于电火花线切割的振动频率为0.1～20Hz、振动幅度为0～2mm、加工电流为3～7A、脉冲宽度为16～

64μs、脉间宽度为5～9μs、加工介质为空气/乳化液/氧气、间隙电压为80～120V，其中电极丝直径为180μm。

说明书

一种电火花线切割制备超疏水金属表面的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及金属材料表面加工，尤其是涉及到一种电火花线切割制备超疏水金属表面的方法。

背景技术

[0002] 近年来，超疏水材料因其具有减阻、抗菌、耐腐蚀、防结冰、自清洁等方面的优异性能而引起了广大科研人员的关注。超疏水表面一般是指与水的接触角大于150°，滚动角小于10°的表面。超疏水表面的性能表现为水滴不能在其表面稳定的停留，因为很容易从表面上滚落，并且滚落时能将其表面上的微小颗粒带走，所以它具有与荷叶表面相似的自清洁的功能。因此超疏水表面在设备制造、航空航天、医疗器械等领域都具有广泛的应用前景。材料的疏水性能主要取决于基体材料的表面能和材料表面微结构这两方面因素的共同作用，而金属材料的表面能普遍较高，通常表现为亲水特性，所以制备超疏水表面一般需要在材料表面构造出微纳双层结构并设法降低其表面能。

[0003] 目前，超疏水材料的制备方法种类繁多，主要分为物理法与化学法。物理法主要包括静电纺丝、模板法、激光刻蚀、电火花加工、离子注入等；化学法则包括电化学沉积、湿化学反应、水热合成、自组装、交替沉积、溶液浸没法、化学气相沉积、溶胶-凝胶等。化学法主要依靠化学反应在材料表面生成一层微纳复合结构层，从而实现材料表面的疏水性能，但是由于化学反应制备过程不易控制，且易受各种试验条件的影响，因此材料表面疏水层的微纳多级结构的差距往往很大，又因为其是以薄膜的形式存在于材料表面，所以它的疏水稳定性易受应用环境的影响而变差甚至丧失。另外，由于化学制备过程中所产生的废液需要做特殊处理，这不仅增加了制备成本，还容易造成环境污染。而物理法中，模板法加工效率低且难以制备形状复杂的表面，激光刻蚀则存在加工成本高、无法大规模制备等缺点。弯艳玲([1]弯艳玲，廉中旭，刘志刚，于化东.高速电火花线切割制备耐用型超疏水铜表面[J].材料科学与工程学报，2014,32(5):634-642)采用线切割方法制造出超疏水表面，但没有真正意义上构造出微纳双尺度表面结构，且其方法中缺乏对电加工工艺参数的优化，制备具有随机性。中国专利CN201710198619同样利用线切割制备超疏水铜表面，但是它加工出来的微凸台之间的间距不能小于电极丝的直径，因此使得它无法制备微观尺度更小的微纳双层结构。因此，有必要研究一种生产成本低、制备过程简单、加工过程环保且表面结构可控的方法来实现材料表面的疏水性。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种电火花线切割制备超疏水金属表面的方法。

[0005] 本发明包括以下步骤：

[0006] 1)将低频振动装置安装在电火花线切割平台上，所述低频振动装置设有环形旋转工作台、旋转基座、振动模块、绝缘振动杆、电极丝套环、开关电源和伺服控制器；

[0007] 2)将需加工的工件装夹于永磁吸盘上，在环形旋转工作台上调整绝缘振动杆与加工工件表面的相对位置，使得绝缘振动杆的振动方向与加工工件表面的进给方向始终保持垂直以便加工出宏观形状不规则的超疏水曲面；

[0008] 3)在旋转基座上承载振动模块是为了方便振动模块调整绝缘振动杆振动方向与加工工件表面进给方向间的角度；

[0009] 4)开关电源为振动模块、环形旋转工作台和伺服控制器供能，振动模块在环形旋转工作台上运动，振动模块用于提供低频振动，采用伺服控制器对振动模块和环形旋转工作台进行程序控制，确保电极丝的振动方向与加工工件表面的进给方向始终保持垂直，使基于低频振动辅助的电火花线切割既可一次性加工出宏观形状不规则的超疏水金属曲面，也可先正常切出一个曲面后再进行振动加工；

[0010] 5)绝缘振动杆的作用是为了保持振动模块与电极丝的绝缘并将振动模块的振动传动到电极丝上；

[0011] 6)电极丝套环带动电极丝与振动模块一起做往复运动，便于加工出微米级的波纹结构；

[0012] 7)在金属平面上制备超疏水结构，加工过程中可对金属表面的微米级尺度形貌进行设计，通过对加工工件重新装夹来调整加工工件表面与电极丝的相对位置，即将加工工件旋转不同角度重新装夹进行加工，可得到具有不同表面形貌的超疏水微纳双层结构金属表面。

[0013] 所述超疏水微纳双层结构的表面形貌可为方形梯台、菱形梯台、菱锥等。

[0014] 所述电极丝套环的直径比电极丝直径大0.1～0.2mm，这既是为了防止电极丝与电极丝套环之间由于摩擦阻滞而断丝，同时也保证电极丝与电极丝套环的间隙不至于过大，便于控制振动振幅。

[0015] 本发明加工所得到的超疏水微纳双层结构的微米级波纹结构宽度为30～180μm，深度为10～120μm，纳米级颗粒与气孔尺寸为10～500nm，静态接触角为150～160°。

[0016] 为制备出合适的微纳双层结构金属表面，基于低频振动辅助的电火花线切割的振动频率为0.1～20Hz、振动幅度为0～2mm、加工电流为3～7A、脉冲宽度为16～64μs、脉间宽度为5～9μs、加工介质为空气/乳化液/氧气、间隙电压为80～120V，其中电极丝直径为180μm。

[0017] 由于低频振动辅助的电火花线切割方法是直接在金属表面加工出微纳双层结构，所以该微纳双层结构与基体的结合强度高，耐用性能好，且结构本身的性能稳定。

[0018] 与现有技术相比，利用低频振动辅助的电火花线切割制备超疏水金属表面简单便捷，加工效率高且制造成本低，而且电火花加工液可回收使用，有利于减少加工废液对环境的污染，其次能够可控的加工出所需的微纳双层结构。

附图说明

[0019] 图1是本发明基于振动辅助制备超疏水金属表面的原理图。

[0020] 图2是图1的俯视示意图。

[0021] 图3是本发明一次性加工出宏观形状不规则超疏水金属曲面的原理图。

[0022] 图4是基于本发明所加工出的超疏水金属表面的扫描电子显微镜(SEM)图。

[0023] 图5是本发明加工出不同微米尺度表面形貌的三维模拟图之一。

[0024] 图6是本发明加工出不同微米尺度表面形貌的三维模拟图之二。

[0025] 图7是本发明加工出不同微米尺度表面形貌的三维模拟图之三。

[0026] 图8是本发明所得超疏水金属表面的水滴静态接触角(CA)图。

具体实施方式

[0027] 以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

[0028] 参图1～3，本发明实施例包括以下步骤：

[0029] 1)将低频振动装置安装在电火花线切割平台10上，所述低频振动装置设有环形旋转工作台1、旋转基座2、振动模块3、绝缘振动杆4、电极丝套环5、开关电源和伺服控制器(在图中未画出)；

[0030] 2)将需加工的工件A装夹于永磁吸盘6上，在环形旋转工作台1上调整绝缘振动杆4与工件A表面的相对位置，使得绝缘振动杆4的振动方向F与工件A表面的进给方向始终保持垂直以便加工出宏观形状不规则的超疏水曲面；

[0031] 3)在旋转基座2上承载振动模块3是为了方便振动模块3调整绝缘振动杆4振动方向与工件A表面进给方向间的角度；

[0032] 4)开关电源为振动模块3、环形旋转工作台1和伺服控制器供能，振动模块3在环形旋转工作台1上运动，振动模块3提供低频振动，采用伺服控制器对振动模块3和环形旋转工作台1进行程序控制，确保电极丝8的振动方向与工件A表面的进给方向始终保持垂直，使基于低频振动辅助的电火花线切割既可一次性加工出宏观形状不规则的超疏水金属曲面，也可先切出一个曲面后再进行振动加工；

[0033] 5)绝缘振动杆4保持振动模块3与电极丝8的绝缘并将振动模块3的振动传动到电极丝8上；

[0034] 6)电极丝套环5带动电极丝8与振动模块3一起做往复运动，便于加工出微米级的波纹结构；

[0035] 7)在金属平面上制备超疏水结构，加工过程中可对金属表面的微米级尺度形貌进行设计，通过对工件A重新装夹来调整工件A表面与电极丝8的相对位置，即将工件A旋转不同角度重新装夹进行加工，可得到具有不同表面形貌的超疏水微纳双层结构金属表面。

[0036] 所述超疏水微纳双层结构的表面形貌为方形梯台、菱形梯台、菱锥等。

[0037] 本发明加工的超疏水微纳双层结构的微米级波纹结构宽度为30～180μm，深度为10～120μm，纳米级颗粒与气孔尺寸为10～500nm，静态接触角为150～160°。

[0038] 为制备出合适的微纳双层结构金属表面，基于低频振动辅助的电火花线切割的振动频率为0.1～20Hz、振动幅度为0～2mm、加工电流为3～7A、脉冲宽度为16～64μs、脉间宽度为5～9μs、加工介质为空气/乳化液/氧气、间隙电压为80V～120V，其中电极丝直径为180μm。

[0039] 由于振动模块在环形旋转工作台上的运动可以确保电极丝的振动方向与加工工件表面的进给方向始终保持垂直，因此基于低频振动辅助的电火花线切割既可一次性加工出宏观形状不规则的超疏水金属曲面，也可先切出一个曲面后再进行振动加工。

[0040] 对于在金属平面上制备超疏水结构，加工过程中则可对金属表面的微米级尺度形貌进行设计，通过对工件重新装夹来调整加工工件表面与电极丝的相对位置，即将加工工件旋转不同角度重新装夹进行加工，从而实现对金属表面加工路径的规划，通过多次加工可以制造出具有类似方形梯台、菱形梯台、菱锥等表面形貌的微纳双层结构(如图5～7所示)。

[0041] 由于低频振动辅助的电火花线切割方法是直接在金属表面加工出微纳双层结构，所以该微纳双层结构与基体的结合强度高，耐用性能好，且结构本身的性能稳定。

[0042] 以下给出具体实施例。

[0043] 将脉冲电源的一极接电极丝，一极接铜板，铜板用502胶水粘附于铁板上(但要保证铜板与铁板之间的导电性)，然后将铁板吸附于永磁吸盘6(参见图1和2)上。首先将70mm×40mm×2mm的铜板通过冲液的方式切割出一个平面，保证低频振动加工时铜板平面与电极丝始终保持平行，从而确保振动幅度在整个加工过程的一致性，电极丝8通过导轮9连接(参见图1)。

[0044] 在与工件表面垂直的地方安装一个低频振动辅助装置，并保证绝缘振动杆4上下两根振动棒的中心位置与电极丝8平行，并将电极丝8置于电极丝套环5中，便于绝缘振动杆4带动电极丝8做往复振动。然后于空气介质中在之前切出平面的的铜表面上进行不同加工参数(振动频率、振动幅度、加工电流、脉冲宽度、脉间宽度、加工介质、间隙电压等)的单因素试验，每个条件加工一定的宽度，一块板可以做多个条件的试验。

[0045] 将加工后的铜板置入超声波清洗设备中用乙醇溶液清洗两遍，每次10min，以便将铜基体表面的杂质清洗干净，清洗后让其自然风干。然后通过激光共聚焦测试加工后工件表面的粗糙度以及低频振动在工件表面生成微米级波纹的效果，再通过扫描电子显微镜(SEM)观察不同加工参数对铜表面生成微钠双层结构的影响程度，通过对比选出几个对超疏水性能影响较大的加工参数进行进一步的正交试验。

[0046] 由单因素试验得知振动频率、振动幅度、加工电流、脉冲宽度对微纳双层结构的生成影响较大，故根据常用正交表选取L9(34)表格来安排正交试验，加工过程同单因素加工试验一样，因素水平表如表1所示。另外，间隙电压为80V、脉间宽度为8μs，从而得出制备超疏水性金属表面的最优工艺参数。

[0047] 表1

[0048]

[0049] 将正交试验后的铜板置于乙醇溶液中利用超声波清洗两遍，每次10min，待它自然风干后置于20mol/L氟硅烷的醇溶液中浸泡10h，然后在真空干燥箱中干燥2h。

[0050] 对干燥后的铜板进行静态接触角测试，以考察低频振动辅助电火花线切割过程中主要工艺参数对改性后制备铜表面水滴接触角的影响规律，所测静态接触角的范围为142～152°，其静态接触角如图8所示。

[0051] 试验表明在电流为6A、脉宽为32μs、振动频率为0.167Hz、振动幅度为0.5mm时加工出的表面具有最大的静态接触角，其角度达到151.3°而且加工出的表面具有明显的微钠双层结构，如图4所示(微米级波纹结构宽度为130±10μm，深度为80±20μm，纳米级颗粒与气孔尺寸范围为10～500nm)。

[0052] 本发明通过低频振动装置既可以一次性加工出宏观形状不规则的超疏水金属曲面，也可先切出一个曲面后再进行振动加工。在金属平面上制备超疏水结构，加工过程中则可对金属表面的微米级尺度形貌进行设计，通过多次加工可以制造出具有类似方形梯台、菱形梯台、菱锥等表面形貌的微纳双层结构。本发明直接利用低频振动辅助的电火花线切割加工制备超疏水金属表面，制备过程简单，加工效率高、且表面结构可控，是一种低成本、简单高效的制备方法。