一种超疏水表面的设计和制备方法转让专利
申请号 : CN202011525996.X
文献号 : CN112719487B
文献日 : 2022-04-29
发明人 : 陈志 , 颜昭君 , 吴程 , 周洪冰 , 张迎东 , 施宗材 , 李治作
申请人 : 中南大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种超疏水表面的制备方法,其特征在于本方法采用颗粒增强的铝基碳化硅材质基体,基体中增强颗粒的体积分数为60‑70%;增强颗粒尺寸大小为20‑50μm,在基体表面制备表面织构;
表面结构的设计包括以下步骤:步骤一、确定表面织构形状;步骤二、确定表面织构参数;步骤三、确定设计准则并验证;
其中步骤一中,矩形凸台表面织构的固‑液实际接触区域与表观接触区域的比例因子为:rsl‑1=2b(l2+l3)/bl1;半圆形凸台表面织构的固‑液实际接触区域与表观接触区域的比例因子为:rsl‑2=2bl4/bl1;β为固‑液接触投影区域占总投影面积的比例,β相同时,rsl‑2较rsl‑1更小,而铝基增强表面本征接触角小于90°,从而导致半圆形凸台表面织构的接触角更大,故选用半圆形凸台形状;式中b为固‑液接触区域宽度,l1为润湿区域接触线总长度,l2为固‑液接触区域接触线投影长度,l3为矩形凸台表面织构固‑液接触区域接触线投影高度,l4为半圆形凸台表面织构固‑液接触区域接触线实际长度;
在所述步骤二中确定半圆形凸台的设计半径rt和中心距a,根据实际的电火花线切割机床的电极丝直径和放电通道半径确定;
在所述步骤三中,接触角理论值为θCB,cosθCB={0.838[2πrasinγ/(2πra+a‑2ra)]‑
0.135}(cosθi+1)‑1;其中ra为半圆形凸台的实际半径,γ为水滴在半圆形凸台表面织构的陷落角,θi为材料表面的本征接触角;
确定的表面结构包括若干并列布置于基体上的半圆形凸台,半圆形凸台的设计半径范围为400‑600μm,相邻两半圆形凸台的中心距范围为700‑1200μm;
表面结构的制备采用电火花线切割加工蚀除方法,在基体表面自然形成放电凹坑/凸起的微观表面形貌,微观表面形貌和表面织构复合形成多级微纳米结构。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,本方法通过在颗粒增强金属基复合材料基体表面上进行电火花线切割加工得到表面织构,切割完成后,置于超声波清洗仪中清洗除杂。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于:电火花线切割时,机床采用慢走丝电火花线切割机床,加工方式为浸水式加工;其中电极丝选用直径为0.25mm的黄铜丝,放电峰值电流
9‑10A、脉冲宽度300‑400ns、脉冲间隔12‑15μs和走丝速度90‑110mm/min。
4.如权利要求3所述的方法,其特征在于:所述慢走丝电火花线切割机床的加工尺寸补偿值设置为0。
5.如权利要求2所述超疏水表面的制备方法,其特征在于:所述超声波清洗仪中的清洗溶液为乙醇的水溶液,每次清洗10分钟,共清洗2次。
说明书 :
一种超疏水表面的设计和制备方法
技术领域
背景技术
使得超疏水表面在防腐蚀、自清洁、防覆冰、微量无损液体运输等领域具有巨大的发展潜
力。而对于增强型复合金属材料来说,在其表面制备出具有超疏水性能的结构则能够显著
提升材料的使用性能。
属超疏水表面的方法主要集中于:在材料表面构筑合适的粗糙结构;以低表面能化学物质
修饰粗糙结构表面以降低金属材料表面自由能。目前主要的超疏水表面制备方法包括:模
板法、水热法、电化学沉积法、激光刻蚀法、溶胶‑凝胶法等。虽然这些制备方法能够成功的
得到超疏水金属表面,但也依然存在着不少弊端,如制备效率低、操作步骤繁琐、所制备表
面耐用性差、使用的化学物质污染环境等。
金属表面加工出陈列方柱结构,然后将陈列方柱结构进行氟硅烷修饰处理,得到超疏水表
面。该发明提出的超疏水表面力学性能稳定,可大规模制备。但该制备过程至少需要两步,
效率较低,且制备过程中使用的氟硅烷易污染环境且危害人体健康。
出超疏水结构,然后将清洗干燥后的铜板置于氟硅烷的醇溶液中浸泡10h,最后在真空干燥
箱中干燥2h。该发明制备出的超疏水表面结构可控,生产成本低。但其操作步骤较为繁琐,
且该过程中同样使用了氟硅烷,易污染环境且危害人体健康。
结构,然后通过低表面能物质对表面进行疏水化改性处理,得到超疏水的金属铜表面。该发
明方法得到的超疏水表面生产成本低,应用范围广泛。但该表面耐磨性较差,易遭受结构破
坏从而丧失超疏水性能,且该发明提出的制备方法需进行至少两步处理,过程较为复杂。
发明内容
凸台,半圆形凸台的设计半径范围为400‑600μm,相邻两半圆形凸台的中心距范围为700‑
1200μm。表面织构通过电火花线切割加工蚀除得到,且这种加工方法能在表面自然形成放
电凹坑/凸起的微观表面形貌,微观表面形貌和表面织构复合形成多级微纳米结构。
面织构固‑液接触区域接触线实际长度。
计后续切割实验。
清洗除杂。
冲间隔12‑15μs和走丝速度90‑110mm/min。
邻两半圆形凸台的中心距范围为700‑1200μm。同时,电火花线切割加工的颗粒增强金属基
复合材料基体表面会自然形成放电凹坑/凸起的微观表面形貌,微观表面形貌和表面织构
复合形成多级微纳米结构,有利于增大工件表面接触角。本发明提出的这种制备方法不但
可以获得机械耐磨性能优良的超疏水表面,并且无需对表面进行化学修饰或其他表面改性
措施,具有制备效率高、成本低、清洁无污染、适应性强的优点。
附图说明
具体实施方式
的体积分数为60‑70%,增强颗粒尺寸大小为20‑50μm。表面织构采用电火花线切割加工得
到,切割完成后,置于超声波清洗仪中清洗除杂。在电火花线切割加工过程中机床为慢走丝
电火花线切割机床,加工方式为浸水式加工;其中电极丝选用直径为0.25mm的黄铜丝,放电
峰值电流9‑10A、脉冲宽度300‑400ns、脉冲间隔12‑15μs和走丝速度90‑110mm/min;机床的
加工尺寸补偿值设置为0。从而在铝基碳化硅基体表面上加工出设计尺寸为中心距700‑
1200μm,半径400‑600μm(实际半径rt小于设计半径ra)的一排半圆形凸台作为表面织构。在
电火花线切割加工过程中铝基碳化硅表面会自然形成放电凹坑/凸起的微观表面形貌,微
观表面形貌和表面织构复合形成多级微纳米结构,有利于增大工件表面接触角,如图2所
示。工件切割加工完成后进行适当标记,以便后续实验便于区分。工件标记好后置于超声波
清洗仪中清洗,清洗溶液为乙醇的水溶液(1:1),每次清洗10分钟,共清洗2次,以去除样品
表面杂物,避免影响后续的接触角测量,清洗完毕后置于空气中干燥。
rsl‑1(矩形凸台表面织构)更小,由于铝基碳化硅表面本征接触角小于90°,从而导致半圆形
凸台表面织构的接触角更大。故而半圆形凸台表面织构较矩形凸台表面织构更适于制备超
疏水表面。半圆形凸台表面织构与矩形凸台表面织构的润湿区域对比示意图如图3所示。
构固‑液接触区域接触线投影高度,l4为半圆形凸台表面织构固‑液接触区域接触线实际长
度。
切割实验。
显示实际半径ra与设计半径rt之间存在相对固定的差值(Δr),约在160‑200μm之间。样品表
面(rt=500μm,a=900μm)微观形貌通过SEM进行观测,放大倍数分别为500×、1000×和
4000×。分别如图4(a)、(b)、(c)所示,可明显观察到,样品表面分布着许多SiC颗粒和大量
的凹坑、突起、触须和孔洞等微结构,这些微结构共同在表面构筑起了多级粗糙结构,促进
了超疏水态的形成。所述样品表面的EDS图(检测区域为放大倍数为1000×时的红色方框部
位)如图5所示,主要含有的元素为C、O、Al、Si和Cu。其中,由于在加工过程中火花放电温度
可高达10000℃,因而O可能来自于氧化碳、氧化铝和氧化硅,而Cu来自于加工电极丝,即黄
铜丝。
设置为4μL,视频录制时间为10s。为了尽量消除测量误差,接触角取值为三次测量的平均
值。所述测量结果中,设计半径400μm、中心距700μm的样品表面的接触角最大,为153.3°,如
图6所示。
Cassie‑Baxter润湿状态,故而可引用公式(1)作为半圆形凸台表面织构的接触角理论值计
算参考式。
触角。
的相对值β,修正公式(1);同时对半圆形凸台表面织构引入一个陷落角γ。修正后的公式
如公式(5)—公式(8)所示:
够达到超疏水状态。
理论接触角为150.8°,相对误差为‑0.51%;β=0.078的样品表面实际接触角为151.3°,理
论接触角150.3°,相对误差为‑0.68%。在一定程度上验证了本发明提出的半圆形凸台表面
织构设计准则。
切割在铝基碳化硅表面制备半圆形凸台表面织构得到了超疏水表面。本发明提出的制备方
法能够在一定程度上提升铝基碳化硅的使用性能,获得耐磨性优异的超疏水表面,并避免
了以往的制备方法中使用对环境有害的低表面能化学物质,同时本发明中推导出的满足超
疏水表面(接触角>150°)的半圆形凸台表面织构的设计准则可为设计超疏水表面提供有
效参考,是一种制备效率高、环境友好、成本低廉、简易高效、可大面积制备的超疏水表面单
步制备方法。