一種利用超快激光制備鋁合金超疏水自清潔表面的方法
【技術(shù)領域】：
[0001] 本發(fā)明屬于金屬基材表面改性技術(shù)領域，涉及鋁合金基體上仿生超疏水自清潔表 面的制備方法，更具體地說，本發(fā)明涉及一種利用超快激光制備鋁合金超疏水自清潔表面 的方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 在自然界中，人類目前所采用的諸多科學技術(shù)都是從大自然中獲得靈感和啟迪 的，超疏水表面是大自然中一種極為常見的現(xiàn)象。例如荷葉的表面就具有很強的疏水性和 自潔凈功能。荷葉表面的疏水性對人類產(chǎn)生的啟示主要是研宄超疏水，而自潔凈則是超疏 水的結(jié)果，因此在金屬材料上制備出超疏水表面得到越來越多的關注。由于超疏水表面具 有特殊的潤濕特性，使其在其表面形成特殊的特性，可以達到表面自潔凈及抗腐蝕的特性， 在許多方面都有廣闊的應用前景。人們渴望將超疏水性能應用在工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是在 鋁合金基體上制備出超疏水性能的表面。通常規(guī)定，超疏水表面是指與水接觸角CA大于 150°、滾動角TA小于10°的表面。當水滴在超疏水表面與水接觸的滾動角小于10度時， 該超疏水表面具有自清潔功能，具有自清潔功能的表面可以在液滴滾動的過程中吸附污染 物并將其帶離表面，從而達到自潔凈的目的。
[0003] 近年來，超疏水性能應用范圍也來越廣泛，金屬材料超疏水的制備，尤其是鋁合金 超疏水表面的制備越來越受到人們的關注。鋁合金因其具有低密度，優(yōu)良的導熱和導電性， 較高的強度，而成為重要的結(jié)構(gòu)材料，在航空航天、汽車工業(yè)等領域中已得到廣泛應用。運 用激光的方法直接改變鋁合金表面性能，制備具有微納米尺度雙層結(jié)構(gòu)的超疏水表面將 是一個有前途的技術(shù)研宄。金屬材料的浸潤性是金屬表面很重要的一個特征，材料的微觀 結(jié)構(gòu)以及組成成分共同影響著材料表面的浸潤性。在金屬上制備超疏水表面的制備方法 很多，典型的方法和途徑主要有：化學藥水腐蝕法、電化學刻蝕+化學腐蝕法、激光刻蝕+ 化學腐蝕法等，但是這些技術(shù)普遍存在化學藥水的浸泡，會產(chǎn)生化學污染，步驟繁瑣，費時 以及制備效率低等缺點，這些缺點都限制了其實際應用。例如，申請?zhí)枮?01310079939. 7 的專利公開了一種鋁合金仿生超疏水表面的制備方法，首先以無水乙醇清洗鋁合金，然后 在鋁合金表面進行激光加工，在試樣表面加工出無數(shù)微尺度的彈坑狀結(jié)構(gòu)，再將試樣浸入 化學刻蝕溶液中，使試樣表面的形貌特征發(fā)生改變，但該方法未完全突破傳統(tǒng)化學蝕刻的 表面處理工藝，采用激光加工工藝后還進一步利用了化學刻蝕，且將經(jīng)過化學刻蝕后的鋁 合金試樣放入含有DTS的甲苯溶液中進行修飾，在其表面逐漸形成低表面能的薄膜，該處 理工藝復雜，且使用了高毒致癌物質(zhì)甲苯，容易造成環(huán)境污染。為了有效地獲得超疏水表 面，還需要用低表面能物質(zhì)對表面進行必要的修飾，加工的效率并不高。例如，申請?zhí)枮?201410657627. 4的專利公開了一種超疏水高粘附金屬表面及其制備方法，通過高功率皮秒 或飛秒激光在金屬表面制備類玫瑰花表面微觀結(jié)構(gòu)的周期性微納米結(jié)構(gòu)，再通過低自由能 物質(zhì)的表面修飾，實現(xiàn)了超疏水高粘附金屬表面的制備，該方法采用低表面能物質(zhì)對表面 進行必要的修飾，加工效率低。最近也有國內(nèi)外學者利用飛秒激光器一步法制備超疏水自 清潔的鉑、鈦、銅等表面。例如，申請?zhí)枮?01410788477. O的專利申請公開了一種鈦合金表 面超疏水微納結(jié)構(gòu)的制備方法，先對鈦合金樣品分別用丙酮和無水酒精進行超聲波清洗， 得到表面干凈的鈦合金樣品；然后對表面干凈的鈦合金樣品表面進行飛秒激光光刻加工， 一步得到具有光柵型或井型或圓形盲孔型超疏水微納結(jié)構(gòu)表面的鈦合金樣品；申請?zhí)枮?200910183588. 8的專利公開了一種仿生金屬超潤濕跨尺度結(jié)構(gòu)設計方法與制備方法，該方 法通過復雜的超親水理論設計，將待處理樣品置于高真空室中，分別在不同角度下進行兩 次掃描，最終獲得接近自然生物表面形貌的跨尺度微結(jié)構(gòu)，但是該方法需嚴格控制各項工 藝參數(shù)，處理成本過高，完全不適合工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。
[0004] 綜上所述，為了開發(fā)出一種工藝簡單，制備效率高，適用于產(chǎn)業(yè)化應用，且不產(chǎn)生 任何環(huán)境污染，一次性實現(xiàn)金屬基材表面超疏水性而無需經(jīng)過任何化學工藝處理的方法， 是目前科研工作者亟待解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種工藝簡單，制備效率 高、綠色環(huán)保的鋁合金超疏水自清潔表面的制備方法。本發(fā)明的方法可在各種尺寸和不同 形狀鋁合金材料表面獲得長期穩(wěn)定的、接觸角大于150°、滾動角小于10°的超疏水自清 潔表面，同時制得的表面還具有出色的耐摩擦耐腐蝕性能。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種利用超快激光制備鋁合金超疏水 自清潔表面的方法，所述方法包括如下步驟：
[0007] 步驟一，將待處理的鋁合金表面進行拋光預處理，得到表面拋光后的鋁合金樣 品；
[0008] 步驟二，將步驟一所述表面拋光后的鋁合金樣品放在盛有去離子水的超聲波清洗 儀中清洗，然后用無水乙醇清洗，清洗干凈后，將所述鋁合金樣品表面用冷風吹干或室溫自 然晾干，得到潔凈的鋁合金樣品；
[0009] 步驟三，利用激光加工技術(shù)，采用超快激光器調(diào)節(jié)好相關的工藝參數(shù)后對步驟二 所述得到的潔凈鋁合金樣品表面進行激光掃描處理，在樣品表面加工出無數(shù)的微結(jié)構(gòu)；
[0010] 所述激光掃描米用振鏡系統(tǒng)進行光束掃描，振鏡掃描的速度為0. lmm/s-30m/s，激 光的通斷及振鏡系統(tǒng)的掃描范圍、掃描軌跡和加工速度均由計算機程序控制和設定；
[0011] 或所述激光掃描使用運動平臺系統(tǒng)實現(xiàn)，將光束固定，樣品相對光束運動，平臺 運動的速度為〇. lmm/s-3m/s，激光的通斷、平臺運動軌跡和速度均由計算機程序控制和設 定；
[0012] 步驟四，將步驟三所述得到的表面經(jīng)過激光加工處理后的鋁合金樣品放入恒溫恒 濕電熱干燥箱內(nèi)烘烤，即得到所述鋁合金超疏水自清潔表面；
[0013] 其中，步驟三所述的超快激光器波長小于lOOOnm，所述激光加工參數(shù)為：脈寬大 于30fs，單脈沖能量小于0. lmj。
[0014] 進一步地，上述技術(shù)方案中所述的鋁合金優(yōu)選為2al2鋁合金。
[0015] 進一步地，上述技術(shù)方案中步驟三所述超快激光器的重復頻率為10kHz-200kHz， 所述脈寬為30fs-lOps。
[0016] 進一步優(yōu)選地，所述超快激光器的脈寬為80fs_800fs。
[0017] 更進一步優(yōu)選地，所述超快激光器的波長為800nm，脈寬為90fs-550fs。
[0018] 再進一步優(yōu)選地，所述脈寬為90fs，所述單脈沖能量為20 μ J-50 μ J，所述激光掃 描速度為 60mm/s-80mm/s〇
[0019] 再進一步優(yōu)選地，所述脈寬為550fs，所述單脈沖能量為20 μ J-50 μ J，所述激光 掃描速度為40mm/s-60mm/s。
[0020] 優(yōu)選地，所述超快激光器的重復頻率為10kHz，所述單脈沖能量為20 μ J，所述激 光掃描速度為60mm/s。
[0021] 進一步地，上述技術(shù)方案步驟四中所述電熱干燥箱內(nèi)的壓力為普通大氣壓，濕度 為40% -60% RH，溫度為100°C -250°c，所述樣品烘烤的時間為2-8小時，所述電熱干燥箱 內(nèi)的溫度誤差為±1°C。
[0022] 更進一步優(yōu)選地，所述恒溫恒濕電熱干燥箱內(nèi)的濕度為55% RH，溫度為200°C，烘 烤的時間為4小時。
[0023] 進一步地，上述技術(shù)方案中步驟一所述的拋光預處理采用功率為370W、研磨盤轉(zhuǎn) 速為450轉(zhuǎn)/分、研磨盤直徑為230mm的金相試樣預磨機，拋光預處理過程需要輔助直徑為 200mm、1000目的SiC水砂紙在所述鋁合金表面進行拋光處理，拋光范圍是100cm 2,拋光時 間10分鐘。
[0024] 進一步地，上述技術(shù)方案中步驟二所述超聲清洗儀的超聲頻率為40kHz，所述去離 子水電阻率為18. 25兆歐，所述去離子水應將鋁合金樣品表面淹沒，在室溫下連續(xù)清洗30 分鐘。
[0025] 本發(fā)明還提供了由上述方法制備得到的鋁合金超疏水自清潔表面，所述表面具有 微米級或納米級的乳突狀結(jié)構(gòu)。
[0026] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法具有以下優(yōu)點：
[0027] (1)利用本發(fā)明方法制備得到的鋁合金表面最大接觸角可達167. 6°，最小滾動 角為3. Γ，因此具有非常好的超疏水性能。
[0028] (2)本發(fā)明的制備方法工藝簡單，操作方便，效率高，能耗少，成本低，完全克服了 傳統(tǒng)使用化學試劑刻蝕鋁合金表面或者在激光加工完成后仍需再采用低表面能物質(zhì)進一 步修飾表面的缺