鎂金屬表面微-納米復(fù)合多級孔材料的模板-3d刻蝕制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種對鎂金屬表面制備微-納米級復(fù)合多級孔的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鎂金屬具有資源豐富，無毒性，易降解，價(jià)格便宜等諸多天然優(yōu)勢，在航空航天，化工、軍工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。對在特殊工作環(huán)境下的鎂合金進(jìn)行表面改性以達(dá)到滿足特殊的服役功能或增加其使用壽命是一種常規(guī)方式。鎂金屬表面制備微-納米級復(fù)合多級孔，可用于醫(yī)用植入鎂金屬器件(支架、骨螺釘、骨板)的載藥微坑、可用于機(jī)械潤滑領(lǐng)域的潤滑油貯存器，可用于仿荷葉超疏水表面的微結(jié)構(gòu)表面。
[0003]目前常采用激光加工方法在金屬表面制造陣列多孔結(jié)構(gòu)，飛秒激光造孔方式對于試樣本身尺寸形狀等有一定的要求，并且價(jià)格高昂，生產(chǎn)率低，不適合大批量生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種鎂金屬表面微-納米復(fù)合多級孔材料的模板-3D刻蝕制備方法，以解決現(xiàn)有的飛秒激光造孔方式對于試樣本身尺寸形狀等有一定的要求，并且價(jià)格高昂，生產(chǎn)率低，不適合大批量生產(chǎn)的問題。
[0005]本發(fā)明通過以下步驟進(jìn)行:一、將鎂金屬材料以240#、600#和1200#金相砂紙分別逐級打磨，然后在室溫下依次用丙酮和無水乙醇各超聲清洗5?20min，之后采用去離子水清洗，烘干，得到預(yù)處理的鎂金屬材料;二、對步驟一處理后的鎂金屬材料作為陽極，使用不銹鋼板作為陰極，在電解液中溫度為20?50°C，工作頻率為400?1200Hz，占空比為4?20%的條件下，微弧氧化處理2?lOmin，從而采用微弧放電方式在鎂金屬與微弧氧化涂層界面處構(gòu)建深入鎂基體的過度生長微-納米氧化物微“凸”體模板;三、使用鉻酸溶液于超聲輔助下去除微弧氧化涂層并進(jìn)一步刻蝕深入鎂基體的氧化物微“凸”體模板，復(fù)制出“凸”體的坑位置形成微-納米孔;其中，鉻酸溶液的濃度為100?300g/L，在室溫下超聲輔助處理時(shí)間為30?60min;四、使用去離子水超聲清洗5?20min，60?80°C下烘干10?20min得到鎂金屬表面微-納米復(fù)合多級孔材料。
[0006]本發(fā)明所構(gòu)建的微-納米多級孔結(jié)構(gòu)采用液態(tài)等離子體微弧放電方法，工藝簡單，易操作，可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。通過控制微放電的具體實(shí)施工藝包括電參數(shù)以及電解液類型，可以實(shí)現(xiàn)對微納米多級孔的尺寸調(diào)控，包括對于孔徑，孔深的調(diào)控，從而可以得到不同需求的多級孔類型。通過二次微弧放電在界面處形成微“凸”體與鉻酸刻蝕去除微“凸”體，可進(jìn)一步對孔徑尺寸進(jìn)行控制，并可在鎂金屬表面形成更為豐富的多級孔結(jié)構(gòu)。本發(fā)明對于試樣的尺寸無要求，可以實(shí)現(xiàn)在各類形狀表面實(shí)現(xiàn)多級孔結(jié)構(gòu)的制備。采用鉻酸腐蝕氧化物層，對鎂基體無損傷，清洗方便，腐蝕之后鉻酸無殘留。本發(fā)明鎂金屬表面多級孔結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍廣，可用于醫(yī)用植入鎂金屬器件(支架、骨螺釘、骨板)的載藥微坑、可用于機(jī)械潤滑領(lǐng)域的潤滑油貯存器，可用于仿荷葉超疏水表面的微結(jié)構(gòu)表面。
【附圖說明】
[0007]圖1是【具體實(shí)施方式】一制備的鎂金屬與微弧放電氧化物層界面處形成氧化物微“凸”體模板截面掃描照片。圖中，附圖標(biāo)記1指示樹脂;2指示涂層;3指示基體;4指示界面氧化物微“凸”結(jié)構(gòu)。圖2是【具體實(shí)施方式】一制備的鎂金屬與微弧放電氧化物層界面處形成氧化物微“凸”體模板示意圖。圖中，附圖標(biāo)記5指示界面處氧化物微“凸”體;6指示微弧放電氧化層;7指示鎂金屬基體;8指示一級孔結(jié)構(gòu);9指示二級孔結(jié)構(gòu)；圖3是【具體實(shí)施方式】一制備的鎂金屬表面一級孔二級孔的掃描電子顯微照片。圖3中10指示一級孔;11指示二級孔。
【具體實(shí)施方式】
[0008]【具體實(shí)施方式】一:下面結(jié)合圖1至圖3具體說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式通過以下步驟進(jìn)行:一、將鎂金屬材料以240#、600#和1200#金相砂紙分別逐級打磨，然后在室溫下依次用丙酮和無水乙醇各超聲清洗5?20min，之后采用去離子水清洗，烘干，得到預(yù)處理的鎂金屬材料;二、對步驟一處理后的鎂金屬材料作為陽極，使用不銹鋼板作為陰極，在電解液中溫度為20?50°C，工作頻率為400?1200Hz，占空比為4?20%的條件下，微弧氧化處理2?lOmin，從而采用微弧放電方式在鎂金屬與微弧氧化涂層界面處構(gòu)建深入鎂基體的過度生長微-納米氧化物微“凸”體模板;三、使用鉻酸溶液于超聲輔助下去除微弧氧化涂層并進(jìn)一步刻蝕深入鎂基體的氧化物微“凸”體模板，復(fù)制出“凸”體的坑位置形成微-納米孔;其中，鉻酸溶液的濃度為100?300g/L，在室溫下超聲輔助處理時(shí)間為30?60min;四、使用去離子水超聲清洗5?20min，60?80°C下烘干10?20min得到鎂金屬表面微-納米復(fù)合多級孔材料;五、對于完成步驟二、步驟三和步驟四的鎂金屬表面微-納米復(fù)合多級孔材料重復(fù)步驟二、三、四完成對鎂金屬表面的擴(kuò)孔與進(jìn)一步多級化處理，即完成鎂金屬表面微-納米復(fù)合多級孔材料的制備。
[0009]本實(shí)施方式制備的鎂金屬與微弧放電氧化物層界面處形成氧化物微“凸”體的截面掃描照片如圖1所示，模板示意圖如圖2所示。
[0010]本實(shí)施方式制備的鎂金屬表面一級孔，二級孔的掃描電子顯微照片如圖3所示。本發(fā)明所構(gòu)建的微-納米多級孔結(jié)構(gòu)采用微弧放電形成微“凸”體模板-3D刻蝕方法，工藝簡單，易操作，可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。通過控制微弧放電的具體實(shí)施工藝包括電參數(shù)以及電解液類型，可以實(shí)現(xiàn)對微納米多級孔的尺寸調(diào)控，包括對孔徑與孔深尺寸控制，從而可以得到不同需求的多級孔類型;通過二次微弧放電在界面處形成微“凸”體與鉻酸刻蝕去除微“凸”體，可進(jìn)一步對孔徑尺寸進(jìn)行控制，并可在鎂金屬表面形成更為豐富的多級孔結(jié)構(gòu)。本發(fā)明對于試樣的尺寸無要求，可以實(shí)現(xiàn)在各類形狀表面實(shí)現(xiàn)多級孔結(jié)構(gòu)的制備。采用鉻酸腐蝕氧化物層，對鎂基體無損傷，清洗方便，腐蝕之后鉻酸無殘留。本發(fā)明鎂金屬表面多級孔結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍廣，可用于醫(yī)用植入鎂金屬器件(支架、骨螺釘、骨板)的載藥微坑、可用于機(jī)械潤滑領(lǐng)域的潤滑油貯存器，可用于仿荷葉超疏水表面的微結(jié)構(gòu)表面。
[0011]本發(fā)明的思路是利用金屬表面在液態(tài)等離子下放電氧化的特點(diǎn)，即在大面積鎂金屬表面均勻火花放電，且放電微弧斑點(diǎn)位置對應(yīng)氧化物向金屬基體過度生長的微“凸”體，控制微弧放電參數(shù)可在膜基界面獲得尺寸可控的微“凸”體;進(jìn)而以過度生長的微“凸”體做為多級微-納米孔的模板，再采用超聲輔助鉻酸溶液中將氧化物涂層與深入鎂基體的氧化物微“凸”體刻蝕掉，復(fù)制出“凸”體的坑位置形成微-納米孔，從而在鎂金屬表面高效率、大面積形成微-納米多級微孔材料。該工藝方法簡單，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
[0012]對于本發(fā)明過程中使用的鉻酸溶液，有一定的毒性，并且會造成環(huán)境污染等問題，可在使用完成后在鉻酸溶液中加入亞硫酸氫鈉至廢液的pH為7.5?8.5，使得鉻酸形成Cr(0H)3沉淀后采用化工廢液處理方法回收。鉻酸極易溶于水，超聲清洗后鎂金屬表面經(jīng)EDS能譜分析，不含鉻元素，對于后續(xù)處理與使用無影響。
[0013]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:所述的鎂金屬為鎂鋁合金、鎂鋅合金、鎂鋯合金、稀土鎂合金或鎂鈣合金。其他與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0014]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是:步驟二所描述的電解液為硅酸鹽電解液或磷酸鹽電解液，其他與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0015]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是:步驟三所述的鉻酸溶液的pH值為1.0?3.0。其他與【具體實(shí)施方式】一至五之一相同。
[0016]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至四之一不同的是:步驟五所述的重復(fù)步驟次數(shù)可以為二次。其他與【具