一種利用短脈沖激光制備鋁合金超疏水自清潔表面的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明屬于金屬基材表面改性技術(shù)領(lǐng)域，涉及鋁合金基體上超疏水自清潔表面的 制備方法，更具體地說，本發(fā)明涉及一種利用短脈沖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(xué)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(guān)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(yīng)用前景。人們渴望將超疏水性能應(yīng)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(yīng)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(guān)注。鋁合金因其具有低密度，優(yōu)良的導(dǎo)熱和導(dǎo)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(lǐng)域中已得到廣泛應(yīng)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(xué)藥水腐蝕法、電化學(xué)刻蝕+化學(xué)腐蝕法、激光刻蝕+ 化學(xué)腐蝕法等，但是這些技術(shù)普遍存在化學(xué)藥水的浸泡，會產(chǎn)生化學(xué)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(yīng)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(xué)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(xué)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(xué)刻蝕，且將經(jīng)過化學(xué)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(fù)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(xué)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?200910021923. 4的專利公開了一種飛秒激光制備金屬表面超疏水微結(jié)構(gòu)的方法，雖然這些 利用飛秒激光器能加工出非常精確的微觀結(jié)構(gòu)表面，但是這種簡單的方法也不能掩蓋飛秒 激光器固有缺點，如價格及其昂貴、加工效率低、加工環(huán)境苛刻的缺陷。
[0004] 綜上所述，通過簡單易操作高效的方法在鋁合金材料上制備出大面積超疏水表 面，而且不產(chǎn)生任何化學(xué)污染的新工藝，對于提高效率、節(jié)能、保護環(huán)境等具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)中制備的鋁合金表面超疏水、自潔凈功能存在的困難和問題，本發(fā) 明的目的在于提供一種工序簡單、加工效率高，成本低、綠色環(huán)保的鋁合金多功能表面的制 備方法。采用本發(fā)明的方法制備出的鋁合金表面既具有超疏水的功能、又具有自潔凈的功 能。
[0006] 本發(fā)明利用短脈沖激光掃描鋁合金表面以及簡單的后期熱處理相結(jié)合的方法，制 備出一種超疏水自清潔的表面。本發(fā)明方法的最大優(yōu)勢在于全程不使用任何化學(xué)藥水，擁 有成本低、效率尚、無污染等優(yōu)點。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種利用短脈沖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：
[0008] 步驟一，將待處理的鋁合金表面進行拋光預(yù)處理，得到表面拋光后的鋁合金樣 品；
[0009] 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，然后再利用乙醇清洗，清洗干凈后，將所述鋁合金樣品表面用冷風(fēng)吹干或室溫自 然晾干，得到潔凈的鋁合金樣品；
[0010] 步驟三，利用激光加工技術(shù)，采用短脈沖激光器調(diào)節(jié)好相關(guān)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)；
[0011] 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(shè)定；
[0012] 或所述激光掃描米用多棱鏡系統(tǒng)進行光束掃描，多棱鏡掃描的速度為lm/s-800m/ s，激光的通斷及多棱鏡系統(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(shè) 定；
[0013] 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0. 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(shè) 定；
[0014] 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；
[0015] 其中，步驟三所述的短脈沖激光器波長小于1550nm，平均功率小于80W，所述激光 加工參數(shù)為：脈寬大于l〇ns，單脈沖能量小于I. 03mJ。
[0016] 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。
[0017] 進一步地，上述技術(shù)方案中步驟三所述短脈沖激光器的重復(fù)頻率為 70kHz-1000kHz，所述脈寬為 10ns-500ns。
[0018] 進一步優(yōu)選地，所述短脈沖激光器的波長為1064nm，所述短脈沖激光器的重復(fù)頻 率為100kHz-500kHz，脈寬為20ns-240ns，所述單脈沖能量為0.1 mJ-O. 6mJ。
[0019] 進一步優(yōu)選地，所述脈寬為240ns，所述單脈沖能量為0. 35mJ-0. 6mJ，所述激光掃 描速度為 l〇〇〇nmi/s-2000mm/s。
[0020] 進一步優(yōu)選地，所述脈寬為20ns，所述單脈沖能量為0.1 mJ-O. 12mJ，所述激光掃 描速度為 l〇〇〇nmi/s-2500mm/s。
[0021] 更進一步優(yōu)選地，所述單脈沖能量為0. 6mJ，所述短脈沖激光器的重復(fù)頻率為 IOOkHz〇
[0022] 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。
[0023] 進一步地，上述技術(shù)方案中步驟一所述的拋光預(yù)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(yù)磨機，拋光預(yù)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(yīng)將鋁合金樣品表面淹沒，在室溫下連續(xù)清洗30 分鐘。
[0025] 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。
[0026] 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 微米級的乳突狀結(jié)構(gòu)。
[0027] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法具有以下優(yōu)點：
[0028] (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157. 3°，最小滾動 角為7.3°，因此具有非常好的超疏水性能。
[0029] (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(xué)試劑刻蝕鋁合金表面或