一種利用短脈沖激光制備黃銅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，涉及一種黃銅基材表面改性技術(shù)，更具 體地說，本發(fā)明涉及一種利用短脈沖激光制備黃銅超疏水自清潔表面的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自然界當(dāng)中有很多植物花葉表面具有非常突出的自潔功能，例如玫瑰花等植物的 花瓣表面就具有非常突出的超疏水性，這些性能在材料防腐蝕、抗氧化等方面有非常廣泛 的應(yīng)用前景，由此引起了金屬表面浸潤性在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。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)以及組成成分共同影響著材料表面的浸潤性。超疏 水表面的實(shí)質(zhì)是擁有極低的浸潤性，而要獲得低浸潤性主要取決于兩個(gè)基本因素，即固體 表面的微觀幾何結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)成分。判斷表面的疏水性或低潤濕性通常用瞬時(shí)接觸角或 滾動(dòng)角作為判定準(zhǔn)則：當(dāng)水滴在固體表面上，接觸角大于90°時(shí)，稱為疏水表面；其接觸角 超過150°，滾動(dòng)角小于10°時(shí)，則被稱為超疏水性表面。
[0003] H62黃銅材料由于其出色的防腐蝕性以及其他優(yōu)異的性能，被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械 行業(yè)，醫(yī)療行業(yè)，電子電氣行業(yè)等行業(yè)。H62黃銅超疏水表面技術(shù)在先進(jìn)制造業(yè)和國防工業(yè) 當(dāng)中有著非常重要的作用。用激光技術(shù)加工H62黃銅表面，使H62黃銅表面形成自清潔的 超疏水表面，非常具有應(yīng)用前景。
[0004] 制備金屬超疏水表面的方法有很多，主要的方法是在材料表面構(gòu)造一層粗糙的微 結(jié)構(gòu)，然后在這層微結(jié)構(gòu)上加上低表面能的物質(zhì)，形成粗糙微結(jié)構(gòu)的主流方法有陽極氧化 法，納秒材料涂層法，化學(xué)刻蝕法，激光刻蝕法等。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(jìn)行必要的修飾，加工的效率并不高。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(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)刻蝕后的鋁 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?01410657627. 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。激光加工法是在金屬基材表面光刻出形態(tài)高度一致的微結(jié)構(gòu)，改善基材 表面形貌實(shí)現(xiàn)基材表面超疏水自清潔要求，相比化學(xué)腐蝕方法，不但加工的速度快，還不需 要在材料表面加一層修飾層，大大地提高了加工效率，而且沒有任何環(huán)境污染，加工效率高 而且成本低，適合大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。例如，申請?zhí)枮?01410788477. 0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(jìn)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(jìn)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，雖然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(diǎn)，如價(jià)格及其昂貴、加工效率低、加工環(huán)境苛刻的缺陷。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(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，亟待開發(fā)出一種工藝簡單，制備效率高，適用于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，不產(chǎn)生任 何環(huán)境污染且一次性實(shí)現(xiàn)金屬基材表面超疏水易清潔性能而無需經(jīng)過任何化學(xué)工藝處理 的激光加工方法，是目前科研工作者亟待解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[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)保的黃銅超疏水自清潔表面及其制備方法。本發(fā)明的方法可在各種尺寸和不同 形狀的黃銅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自清潔性能。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種利用短脈沖激光制備黃銅超疏水 自清潔表面的方法，所述方法包括如下步驟：
[0008] 步驟一，將待處理的黃銅表面進(jìn)行拋光預(yù)處理，得到表面拋光后的黃銅樣品；
[0009] 步驟二，將步驟一所述表面拋光后的黃銅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，將所述黃銅樣品表面用冷風(fēng)吹干或室溫自然晾 干，得到潔凈的黃銅樣品；
[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 二所述得到的潔凈黃銅樣品表面進(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] 所述激光掃描米用振鏡系統(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] 或所述激光掃描米用多棱鏡系統(tǒng)進(jìn)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(jì)算機(jī)程序控制和設(shè) 定；
[0013] 或所述激光掃描使用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，將光束固定，樣品相對光束運(yùn)動(dòng)，平臺(tái) 運(yùn)動(dòng)的速度為0. lmm/s-3m/s，激光的通斷、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡和速度均由計(jì)算機(jī)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黃銅樣品放入恒溫恒濕 電熱干燥箱內(nèi)烘烤，得到所述黃銅超疏水自清潔表面；
[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：脈寬為l〇ns-500ns，單脈沖能量小于I. 03mJ。
[0016] 進(jìn)一步地，上述技術(shù)方案中所述的黃銅優(yōu)選為H62黃銅。
[0017] 進(jìn)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-lMHz， 所述脈寬為20ns-240ns。
[0018] 進(jìn)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脈 寬為100ns-240ns，所述單脈沖能量為0. 5mJ-0. 7mJ，所述短脈沖激光器的重復(fù)頻率為 80kHz-120kHz，所述激光掃描速度為 1000mm/s-2000mm/s。
[0019] 更進(jìn)一步優(yōu)選地，所述脈寬為130ns-240ns。
[0020] 再進(jìn)一步優(yōu)選地，所述脈寬為240ns，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，所述激光掃描速度為1000mm/s-1500mm/s。
[0021] 再進(jìn)一步優(yōu)選地，所述脈寬為130ns，所述單脈沖能量范圍為0. 5mJ，所述短脈沖 激光器的重復(fù)頻率為120kHz，所述激光掃描速度為1500mm/S-2000mm/ S。
[0022] 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°C，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±1°C。
[0023] 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50% RH，溫度為100°C，烘 烤的時(shí)間為2小時(shí)。
[0024] 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鳇S銅表面進(jìn)行拋光處理，拋光范圍是100cm 2,拋光時(shí)間 10分鐘。
[0025] 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40kHz，所述去離 子水電阻率為18. 25兆歐，所述去離子水應(yīng)將黃銅樣品表面淹沒，在室溫下連續(xù)清洗30分 鐘。
[0026] 本發(fā)明還提供了由上述方法制備得到的黃銅超疏水自清潔表面，所述表面具有微 米級乳突狀結(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(diǎn)：
[0028] (1)利用本發(fā)明方法制備得到的黃銅表面最大接觸角可達(dá)159. 0°，最小滾動(dòng)角 為8.2°，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)試劑刻蝕黃銅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