一種利用超快激光制備鑄鐵超疏水耐腐蝕表面的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明屬于金屬材料表面改性技術(shù)，設(shè)及鑄鐵基體上超疏水表面的制備方法，更 具體地說，本發(fā)明設(shè)及一種利用超快激光制備鑄鐵超疏水耐腐蝕表面的方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 自然界為我們提供了大量的超疏水、自清潔的動(dòng)植物表面實(shí)例，如荷葉、水稻葉、 水印腿、蛾的翅膀、鳥類的羽毛等表面。自然界的生物經(jīng)過億萬的演變進(jìn)化出各種形態(tài)、功 能、結(jié)構(gòu)和材料的表面，W適應(yīng)其生存的環(huán)境。該種結(jié)構(gòu)表面具有超疏水非浸潤、自清潔、防 粘附的功能，除此之外還有隱身、減阻、降噪等功能。隨著現(xiàn)代材料技術(shù)和測試檢測技術(shù)的 發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)自然界的該些動(dòng)植物具有超疏水和自清潔功能，當(dāng)污染物及水附著在 其表面上很容易滑落達(dá)到自清潔的目的，而要清洗同樣的表面則需要耗費(fèi)大量的人力和物 力。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，人們渴望將超疏水性能應(yīng) 用于工業(yè)生產(chǎn)，尤其是在鑄鐵表面上制備出超疏水的性能。通常規(guī)定，將水滴在表面的接觸 角CA大于90°稱為疏水表面，當(dāng)接觸角CA大于150°、滾動(dòng)角TA小于10°的表面稱為超 疏水表面。
[0003] 鑄鐵是世界上產(chǎn)量最高的金屬材料，被廣泛的應(yīng)用在船舶工業(yè)、汽車工業(yè)、橋梁鐵 路等領(lǐng)域中。但是每年由于腐蝕造成鑄鐵的損失占年產(chǎn)量的10-20%，因此鑄鐵的防腐蝕就 顯得尤為重要。超疏水耐腐蝕概念為鑄鐵基體的耐腐蝕處理提供了新的思路。用激光技術(shù) 加工鑄鐵表面，使鑄鐵表面形成耐腐蝕的超疏水表面，具有非常大的應(yīng)用前景。
[0004] 金屬材料的浸潤性是金屬表面很重要的一個(gè)特征，材料的微觀結(jié)構(gòu)W及組成成分 共同影響該材料表面的浸潤性。在金屬材料上制備出超疏水的方法有很多，典型的方法有： 陽極氧化法、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。陽極氧化 法就是將多孔氧化侶凝膠浸入沸水當(dāng)中，然后將升華的材料和侶石或者娃石混合，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(jìn)行必要的修飾，加工的效率并不高。 而其他制備方法大多需要特殊的設(shè)備或者苛刻加工條件及不可或缺的昂貴、高污染的化學(xué) 藥劑，通過將樣品泡置在化學(xué)試劑中，使其表面形成凹坑狀微結(jié)構(gòu)。該些方法對環(huán)境的污染 較大，操作工藝復(fù)雜。針對在鑄鐵材料上制備出超疏水表面，將使用一種無化學(xué)藥水、無污 染操作簡單的激光加工法，在材料表面形態(tài)高度一致的微結(jié)構(gòu)上改善鑄鐵表面形貌，實(shí)現(xiàn) 材料表面超疏水自清潔的要求，對于提高效率、節(jié)能、保護(hù)環(huán)境等都具有重要意義。申請?zhí)?為201310079939. 7的專利公開了一種侶合金仿生超疏水表面的制備方法，首先W無水己 醇清洗侶合金，然后在侶合金表面進(jìn)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(jìn)一步利用了化學(xué)刻蝕，且將經(jīng) 過化學(xué)刻蝕后的侶合金試樣放入含有DTS的甲苯溶液中進(jìn)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。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(shí)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(jìn)行必要的修飾，加工效率低；申請?zhí)枮?00910183588. 8的專利公開了一種仿生金屬超潤 濕跨尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與制備方法，該方法通過復(fù)雜的超親水理論設(shè)計(jì)，將待處理樣品置 于高真空室中，分別在不同角度下進(jìn)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(yán)格控制各項(xiàng)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)。
[0005] 綜上所述，探索一種具有簡單、快捷、成本低、加工效率高的超疏水耐腐蝕的鑄鐵 基體表面制備方法，是一項(xiàng)既有理論價(jià)值又有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)工作，該項(xiàng)技術(shù)發(fā)明甚 至有可能給超疏水耐腐蝕該個(gè)領(lǐng)域帶來顛覆性的變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 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)保的鑄鐵超疏水表面制備方法。本發(fā)明的方法可在各種尺寸和不同形狀的鑄鐵 材料表面獲得長期穩(wěn)定的、接觸角大于150°、滾動(dòng)角小于10°的超疏水表面，同時(shí)制得的 表面還具有出色的耐腐蝕性能。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種利用超快激光制備鑄鐵超疏水耐 腐蝕表面的方法，所述方法包括如下步驟：
[000引步驟一，將待處理的鑄鐵表面進(jìn)行拋光預(yù)處理，得到表面拋光后的鑄鐵樣品；
[0009] 步驟二，將步驟一所述表面拋光后的鑄鐵樣品放在盛有去離子水的超聲波清洗儀 中清洗，然后用無水己醇清洗，清洗干凈后，將所述鑄鐵樣品表面用冷風(fēng)吹干或室溫自然驚 干，得到潔凈的鑄鐵樣品；
[0010] 步驟S，利用激光加工技術(shù)，采用超快激光器調(diào)節(jié)好相關(guān)的工藝參數(shù)后對步驟二 所述得到的潔凈鑄鐵樣品表面進(jìn)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] 所述激光掃描采用振鏡系統(tǒng)進(jìn)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(jì)算機(jī)程序控制和設(shè)定；
[0012] 或所述激光掃描使用運(yùn)動(dòng)平臺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，將光束固定，樣品相對光束運(yùn)動(dòng)，平臺 運(yùn)動(dòng)的速度為0.lmm/s-3m/s，激光的通斷、平臺運(yùn)動(dòng)軌跡和速度均由計(jì)算機(jī)程序控制和設(shè) 定；
[0013] 步驟四，將步驟=所述得到的表面經(jīng)過激光加工處理后的鑄鐵樣品放入恒溫恒濕 電熱干燥箱內(nèi)烘烤，即得到所述鑄鐵超疏水耐腐蝕表面；
[0014] 其中，步驟S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.ImJ。
[0015] 進(jìn)一步地，上述技術(shù)方案中步驟S所述超快激光器的重復(fù)頻率為10曲Z-200曲Z， 所述脈寬為30fs-l化S。
[0016] 進(jìn)一步優(yōu)選地，所述超快激光器的脈寬為80fs-800fs。
[0017] 更進(jìn)一步優(yōu)選地，所述超快激光器的波長為800nm，脈寬為90fs-550fs，所述單脈 沖能量為30yJ-60yJ。
[001引再進(jìn)一步優(yōu)選地，所述超快激光器的脈寬為90fs，所述激光掃描速度為30mm/ s-50mm/s。
[0019] 進(jìn)一步優(yōu)選地，所述超快激光器的脈寬為550fs，所述單脈沖能量為40yJ-60yJ， 所述激光掃描速度為30mm/s-50mm/s。
[0020] 再進(jìn)一步優(yōu)選地，所述單脈沖能量為40yj，所述超快激光器的重復(fù)頻率為 10曲Z，所述激光掃描速度為44. 2mm/s。
[0021] 進(jìn)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(jī)，拋光預(yù)處理過程需要輔助直徑為 200mm、1000目的SiC水砂紙?jiān)谒鲨T鐵表面進(jìn)行拋光處理，拋光范圍是100cm2,拋光時(shí)間 10分鐘。
[0022] 進(jìn)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40曲Z，所述去離 子水電阻率為18. 25兆歐，所述去離子水應(yīng)將鑄鐵樣品表面淹沒，在室溫下連續(xù)清洗30分 鐘。
[0023] 進(jìn)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。所述樣品烘烤的時(shí)間為2-8小時(shí)，所述電熱干燥箱 內(nèi)的溫度誤差為±rc。
[0024] 更進(jìn)一步優(yōu)選地，所述恒溫恒濕電熱干燥箱內(nèi)的濕度為40%RH，溫度為100°C，烘 烤的時(shí)間為8小時(shí)。
[0025] 本發(fā)明還提供了由上述方法制備得到的鑄鐵超疏水耐腐蝕表面，所述表面具有納 米級的凸起狀結(jié)構(gòu)。
[0026] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法具有W下優(yōu)點(diǎn)：
[0027](1)利用本發(fā)明方法制備得到的鑄鐵表面最大接觸角可達(dá)170.8°，最小滾動(dòng)角 為5.2°，因此具有非常好的超疏水性能。
[002引 （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)試劑刻蝕鑄鐵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(jìn)一步 修飾表面的缺陷，綠色環(huán)保，不采用任何化學(xué)試劑涂層，且本發(fā)明方法的工藝參數(shù)容易控 審Ij，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。
[0029] (3)采用本發(fā)明方法制備得到的超疏水鑄鐵金屬表面性能穩(wěn)定，具備優(yōu)異的耐腐 蝕能性能，大大增加了鑄鐵的使用壽命。
【附圖說明】
[0030]圖1 (a)、化）分別為本發(fā)明實(shí)施例1制備得到的鑄鐵超疏水耐腐蝕表面的接觸角 示意圖、滾動(dòng)角示意圖；
[0031]圖2(C)、（d)分別為本發(fā)明實(shí)施例2制備得到的鑄鐵超疏水耐腐蝕表面的接觸角 示意圖、滾動(dòng)角示意圖；
[0032]圖3 (e)、（f)分別為本發(fā)明實(shí)施例3制備得到的鑄鐵超疏水耐腐