一種利用短脈沖激光制備鋅合金超疏水自清潔表面的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001 ] 本發(fā)明屬于金屬材料表面改性技術(shù)，涉及鋅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鋅合金超疏水自清潔表面的方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 自然界的生物經(jīng)過億萬年優(yōu)勝劣汰的進化，優(yōu)化出各種形態(tài)、構(gòu)型、結(jié)構(gòu)和材料， 展現(xiàn)出多種多樣的功能特征，成為對生存壞境具有最佳適應(yīng)性和高度協(xié)調(diào)性的系統(tǒng)。自然 界中生物所蘊含的奧妙吸引著人類不斷的探索、學(xué)習(xí)和模仿，以求解決人類生產(chǎn)生活中遇 到的各種問題，使得人類社會向更高方向和更深層次邁進。自然界為我們提供了大量的超 疏水、自清潔的動植物表面實例，如荷葉、水稻葉、水印腿、蛾的翅膀、鳥類的羽毛等表面。這 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)自然界的這些動植物具有超 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到自清潔的目的，而要清 洗同樣的表面則需要耗費大量的人力和物力。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)，尤其是在鋅合金表面上制備出超 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°、滾動角TA小于10°的表面稱為超疏水表面。
[0003] 鋅合金鑄造性能好，可以壓鑄形狀復(fù)雜、薄壁的精密件，其零件表面可以進行各種 裝飾加工，如電鍍、涂漆、陽極氧化、著色、拋光等，已經(jīng)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。但是鋅合金抗蝕性差，易導(dǎo)致鑄件老化而發(fā)生變形，甚至破裂，所 以每年腐蝕造成鋅合金的損失占年產(chǎn)量的10-20%，因此鋅合金的防腐蝕就顯得尤為重要。 超疏水自清潔概念為鋅合金基體的耐腐蝕處理提供了新的思路。用激光技術(shù)加工鋅合金表 面，使鋅合金表面形成耐摩擦防腐蝕的超疏水表面，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特征，材料的微觀結(jié)構(gòu)以及組成成分 共同影響這材料表面的浸潤性。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 法就是將多孔氧化鋁凝膠浸入沸水當(dāng)中，然后將升華的材料和鋁石或者硅石混合，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)。這些方法對環(huán)境的污染 較大，操作工藝復(fù)雜。針對在鋅合金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)上改善鋅合金表面形貌， 實現(xiàn)材料表面超疏水自清潔的要求，對于提高效率、節(jié)能、保護環(huán)境等都具有重要意義。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。申請 號為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；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)計方法與制備方法，該方法通過復(fù)雜的超親水理論設(shè)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)。
[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鋅合 金基體表面制備方法，是一項既有理論價值又有現(xiàn)實應(yīng)用價值的技術(shù)工作，這項技術(shù)發(fā)明 甚至有可能給超疏水耐腐蝕自清潔這個領(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)保的鋅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 形狀的鋅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°的超疏水表 面，同時制得的表面還具有出色的自清潔性能。
[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鋅合金超疏 水自清潔表面的方法，所述方法包括如下步驟：
[0008] 步驟一，將待處理的鋅合金表面進行拋光預(yù)處理，得到表面拋光后的鋅合金樣 品；
[0009] 步驟二，將步驟一所述表面拋光后的鋅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，將所述鋅合金樣品表面用冷風(fēng)吹干或室溫自 然晾干，得到潔凈的鋅合金樣品；
[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 二所述得到的潔凈鋅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(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鋅合金樣品放入恒溫恒 濕電熱干燥箱內(nèi)烘烤，即得到所述鋅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1. 03mJ。
[0016] 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。
[0017] 進一步優(yōu)選地，所述短脈沖激光器的波長為1064nm，脈寬為20ns-240ns，單脈沖 能量為〇. lmJ-0. 9mJ，所述激光掃描速度為1000mm/s-2000mm/s。
[0018] 更進一步優(yōu)選地，所述短脈沖激光器脈寬為240ns，所述單脈沖能量為 0? 6mJ-〇. 9mJ，所述激光掃描速度為 1000mm/s-1500mm/s。
[0019] 更進一步優(yōu)選地，所述短脈沖激光器脈寬為20ns，所述單脈沖能量為 0. 10mJ-0. 12mJ，所述激光掃描速度為 800mm/s-1200mm/s。
[0020] 再進一步優(yōu)選地，所述短脈沖激光器的重復(fù)頻率為70kHz-600kHz。
[0021] 再進一步優(yōu)選地，所述短脈沖激光器的重復(fù)頻率為70kHz，所述單脈沖能量為 0. 857mJ，所述激光掃描速度為1032mm/s。
[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水砂紙在所述鋅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)將鋅合金樣品表面淹沒，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50% RH，溫度為100°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鋅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)明方法制備得到的鋅合金表面最大接觸角可