本發(fā)明涉及表面改性領(lǐng)域，特別是涉及一種電泳輔助微納顆粒熔融自組裝表面改性設(shè)備。

背景技術(shù)：

當(dāng)今社會(huì)，材料的應(yīng)用涉及到生活、生產(chǎn)的各個(gè)方面，不同材料各有其特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。而金屬作為目前最常用的材料，被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品加工的各個(gè)領(lǐng)域。然而金屬材料也有其固有的缺陷，金屬材料的失效通常源于表面，最常見(jiàn)的失效形式為磨損、腐蝕、斷裂。金屬材料的表面特性主要取決于其加工工藝，所以加工成型的產(chǎn)品由于其工藝特點(diǎn)與加工質(zhì)量等原因，容易出現(xiàn)性能缺陷或者不足。為了提高金屬材料的強(qiáng)度、硬度、剛性、耐磨性、耐腐蝕等表面性能，需要對(duì)其進(jìn)行后處理，以滿足使用及性能要求。

現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，對(duì)金屬材料表面性能要求的日益提高，對(duì)表面處理技術(shù)及工藝有了新的發(fā)展和擴(kuò)充，對(duì)金屬工件表面進(jìn)行親疏水等仿生結(jié)構(gòu)的表面改性是較為熱門(mén)的表面技術(shù)。隨著疏水表面“荷葉效應(yīng)”的發(fā)現(xiàn)，超疏水材料廣泛用于自清潔、防凍、防霧、防腐、防阻、微流體芯片、無(wú)損液體輸送等方面，展示了超疏水材料的廣闊運(yùn)用前景。

目前，超疏水表面的制備大多采用電化學(xué)腐蝕法或化學(xué)腐蝕法，構(gòu)建超疏水表面所需粗糙結(jié)構(gòu)。電化學(xué)腐蝕法通過(guò)陽(yáng)極氧化制備規(guī)則的粗糙表面，然后使用低表面能物質(zhì)改性制備超疏水表面。該方法適用的材料范圍廣，可控性好，但條件相對(duì)苛刻，所使用的電解液大多是腐蝕性較強(qiáng)的酸或堿的混合液，電解液的消耗量較大，廢液回收處理麻煩，不利于工業(yè)化的生產(chǎn)?；瘜W(xué)腐蝕法常先采用硝酸、鹽酸、氫氟酸等通過(guò)化學(xué)腐蝕來(lái)形成表面粗糙結(jié)構(gòu)，然后再用熱處理來(lái)構(gòu)建表面的納米結(jié)構(gòu)，最后用低表面能物質(zhì)改性制備超疏水表面?；瘜W(xué)腐蝕法簡(jiǎn)單易行，但用作腐蝕液的物質(zhì)都具有強(qiáng)的腐蝕性，廢液處理麻煩，限制了化學(xué)腐蝕法的發(fā)展。

納米尺寸的金屬與功能分子的自組裝在未來(lái)納米電子器件中具有廣闊的應(yīng)用前景,對(duì)其基本理論和實(shí)際應(yīng)用的研究正成為一個(gè)新興的研究領(lǐng)域。目前納米顆粒一般都要經(jīng)過(guò)表面改性，使其廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域：磁流體、彩色成像、磁記錄材料以及生物醫(yī)學(xué)。由于納米顆粒的表面疏水性及較大的體表比，它在生物體內(nèi)容易團(tuán)聚,吸附血漿蛋白，容易被網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)(RES)清除，所以需要對(duì)納米顆粒進(jìn)行表面改性，增大親水性,延長(zhǎng)循環(huán)半衰期。可用于表面改性的物質(zhì)很多，一般為有機(jī)物，也有無(wú)機(jī)物和蛋白質(zhì)或抗體等。納米顆粒目前是生物醫(yī)用納米材料領(lǐng)域異常活躍的方向之一。不同方法制備的納米顆粒經(jīng)不同聚合物或分子表面改性后具有多方面的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

現(xiàn)有的金屬表面改性方法一般包括熱燒結(jié)法和鎳鹽熱分解法，熱燒結(jié)法將碳材料浸漬在含改性物質(zhì)的液相中，再通過(guò)中高溫?zé)崽幚硎垢男晕镔|(zhì)熔融與碳表面結(jié)合，從而調(diào)節(jié)碳表面親疏水性。這種方法主要是通過(guò)聚四氟乙烯處理來(lái)增強(qiáng)疏水性，通過(guò)胺類物質(zhì)處理來(lái)增強(qiáng)親水性。

熱處理時(shí)，熔融物質(zhì)能夠保護(hù)材料表面結(jié)構(gòu)，所以該方法對(duì)碳材料表面結(jié)構(gòu)的影響不大。通過(guò)原子力顯微鏡(AFM)表征指出多乙烯多胺熔融后能夠保護(hù)碳纖維表面，形貌變化弱于僅熱處理過(guò)的碳纖維。在化學(xué)組成方面，熱燒結(jié)法在碳表面引入了改性物質(zhì)中的元素和基團(tuán)。在親水改性方面，氨基官能團(tuán)在氨化處理過(guò)程中被引入碳表面，并主要以酰氨基形式存在。碳纖維表面引入氨基后可以與水和環(huán)氧樹(shù)脂的環(huán)氧基團(tuán)形成氫鍵，浸潤(rùn)性得到很大改善。在疏水改性方面，PTFE附著碳表面后引入碳氟基團(tuán)。由于PTFE含量增加，能更好地實(shí)現(xiàn)親疏水平衡。熱燒結(jié)法調(diào)控親疏水性的優(yōu)點(diǎn)是步驟簡(jiǎn)便、時(shí)間短。

鎳鹽熱分解法是先將NI2+吸附在基體表面，再通過(guò)熱分解鎳鹽獲取鎳催化中心。人們用硫酸鎳、次磷酸鈉配置的活化液在超聲輔助的條件下對(duì)空心玻璃微珠活化2min，再在175攝氏下熱氧化還原50min，成功實(shí)現(xiàn)空心玻璃微珠的無(wú)鈀活化化學(xué)鍍鎳磷合金。隨后又采用該活化液浸泡陶瓷微珠30min，同樣在175攝氏度下熱氧化還原50min，實(shí)現(xiàn)在陶瓷微珠表面的無(wú)鈀活化化學(xué)鍍鎳磷合金。

熱燒結(jié)法的缺點(diǎn)是需要高溫處理，成本較高，并且在浸漬過(guò)程中改性物質(zhì)附著可能不均，容易導(dǎo)致處理碳材料表面親疏水性質(zhì)不均勻。采用鎳鹽熱分解法的缺點(diǎn)是不適用于熔點(diǎn)較低的基體材料，只適用于陶瓷、玻璃、碳酸硅等耐熱物質(zhì)。同時(shí)使用的化學(xué)試劑為低表面能改性劑，有污染，操作有危險(xiǎn)，直接打磨預(yù)處理和熱處理使金屬表面粗糙度降低。

如何提供一種能夠增強(qiáng)金屬表面與納米顆粒結(jié)合力的金屬表面改性設(shè)備是本領(lǐng)域技術(shù)人員目前需要解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種電泳輔助微納顆粒熔融自組裝表面改性設(shè)備，能夠增強(qiáng)金屬表面與納米顆粒結(jié)合力。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種電泳輔助微納顆粒熔融自組裝表面改性設(shè)備，包括：

工作臺(tái)；

顆粒溶液混合循環(huán)容器，安裝于所述工作臺(tái)并用于混合納米顆粒溶液；

加工槽，安裝于所述工作臺(tái)并用于放置待加工金屬工件；

輸液裝置，用于向待加工金屬工件表面輸送納米顆粒溶液；

電泳輔助裝置，安裝于所述工作臺(tái)并分別導(dǎo)通連接電泳輔助陰極和待加工金屬工件，且在待加工金屬工件和所述電泳輔助陰極之間形成用于納米顆粒沉積的電泳輔助電場(chǎng)；

真空加熱裝置，安裝于所述工作臺(tái)，并用于加熱待加工金屬工件以熔融其表面的部分納米顆粒；

集成控制柜，內(nèi)部設(shè)置有控制器，所述控制器通信連接并控制所述顆粒溶液混合循環(huán)容器、所述輸液裝置和所述真空加熱裝置。

優(yōu)選地，所述顆粒溶液混合循環(huán)容器內(nèi)部設(shè)置有用于振動(dòng)納米顆粒的超聲振動(dòng)裝置、用于攪拌納米顆粒溶液的磁力攪拌裝置、用于引導(dǎo)納米顆粒溶液的懸浮液吸引裝置和用于過(guò)濾循環(huán)納米顆粒溶液的溶液循環(huán)裝置。

優(yōu)選地，所述工作臺(tái)上安裝有通信連接所述控制器的微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，所述加工槽安裝于所述微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，并與所述微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)同步運(yùn)動(dòng)使待加工金屬工件對(duì)準(zhǔn)所述輸液裝置。

優(yōu)選地，所述加工槽底板上側(cè)固定安裝有用于夾持待加工金屬工件的工件夾具。

優(yōu)選地，所述工作臺(tái)上設(shè)置有主軸，所述輸液裝置包括吸引管和吸引管夾具，所述吸引管一端的開(kāi)口連通所述顆粒溶液混合循環(huán)容器，所述吸引管夾具夾持所述吸引管的另一端，使所述吸引管另一端的開(kāi)口對(duì)準(zhǔn)待加工金屬工件，所述吸引管夾具安裝于所述主軸并能夠沿所述主軸移動(dòng)。

優(yōu)選地，所述主軸上安裝有陰極夾具，所述陰極夾具夾持所述電泳輔助陰極，所述電泳輔助裝置的一個(gè)輸出端連接所述陰極夾具，另一個(gè)輸出端連接所述工件夾具。

優(yōu)選地，所述集成控制柜外部設(shè)置有通信連接所述控制器的鍵盤(pán)和顯示屏。

優(yōu)選地，所述工作臺(tái)上安裝有用于檢測(cè)待加工金屬工件表面納米顆粒狀態(tài)的視頻檢測(cè)裝置。

優(yōu)選地，所述視頻檢測(cè)裝置包括安裝于所述工作臺(tái)的支架和安裝于所述支架的電荷耦合圖像傳感器。

本發(fā)明提供一種電泳輔助微納顆粒熔融自組裝表面改性設(shè)備，包括工作臺(tái)、加工槽、輸液裝置、電泳輔助裝置、真空加熱裝置和集成控制柜。顆粒溶液混合循環(huán)容器安裝于工作臺(tái)并用于混合納米顆粒溶液；加工槽安裝于工作臺(tái)并用于放置待加工金屬工件；輸液裝置用于向待加工金屬工件表面輸送納米顆粒溶液；電泳輔助裝置，安裝于所述工作臺(tái)并分別導(dǎo)通連接電泳輔助陰極和待加工金屬工件，且在待加工金屬工件和所述電泳輔助陰極之間形成用于納米顆粒沉積的電泳輔助電場(chǎng)；真空加熱裝置，安裝于工作臺(tái)，并用于加熱待加工金屬工件以熔融其表面的部分納米顆粒；集成控制柜內(nèi)部設(shè)置有控制器，控制器通信連接并控制顆粒溶液混合循環(huán)容器、輸液裝置和真空加熱裝置。

納米顆粒溶液在顆粒溶液混合循環(huán)容器充分混合，然后將納米顆粒溶液輸送至待加工金屬表面，使混合納米顆粒在金屬表面一次或者分次沉積，而得到有序的微粒排列，然后通過(guò)真空加熱裝置改變工件表面溫度，使熔點(diǎn)較低的犧牲顆粒處于熔融狀態(tài)，熔融的顆粒包裹或者粘連到另一種改性顆粒和金屬工件表面，增加金屬工件與微納顆粒的結(jié)合力，利用改性顆粒本身的特點(diǎn)，進(jìn)而使金屬表面得到親疏水微織構(gòu)。同時(shí)對(duì)于尺寸很小的極細(xì)顆粒，顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)與所受重力作用相抵消，在懸濁液中處于相對(duì)平衡的狀態(tài)，不能沉積或者沉積速率很慢，效率較低，所以利用電泳輔助裝置形成電泳輔助電場(chǎng)，通過(guò)微粒的電泳效應(yīng)對(duì)其施加一定的電場(chǎng)作用，由于電泳沉積具有控制方便，對(duì)顆粒種類及顆粒表面狀態(tài)無(wú)特殊要求等優(yōu)點(diǎn)，所以可以在任意平面、曲面、凸臺(tái)、凹槽等不規(guī)則金屬表面進(jìn)行混合微納顆粒遷移和吸附，或者分次遷移和吸附不同種類顆粒。可極大的提高溶液中極細(xì)顆粒的沉積效率，通過(guò)調(diào)節(jié)電場(chǎng)強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)沉積速率和沉積厚度。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所提供的電泳輔助微納顆粒熔融自組裝表面改性設(shè)備的一種具體實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的核心是提供一種電泳輔助微納顆粒熔融自組裝表面改性設(shè)備，能夠增強(qiáng)金屬表面與納米顆粒結(jié)合力。

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

請(qǐng)參考圖1，圖1為本發(fā)明所提供的電泳輔助微納顆粒熔融自組裝表面改性設(shè)備的一種具體實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

本發(fā)明具體實(shí)施方式提供一種電泳輔助微納顆粒熔融自組裝表面改性設(shè)備，包括工作臺(tái)1、顆粒溶液混合循環(huán)容器2、加工槽7、輸液裝置、電泳輔助裝置12和真空加熱裝置10。

其中，顆粒溶液混合循環(huán)容器2安裝于工作臺(tái)1并用于混合納米顆粒溶液。具體地，顆粒溶液混合循環(huán)容器2內(nèi)部設(shè)置有用于振動(dòng)納米顆粒的超聲振動(dòng)裝置、用于攪拌納米顆粒溶液的磁力攪拌裝置、用于引導(dǎo)納米顆粒溶液的懸浮液吸引裝置和用于過(guò)濾循環(huán)納米顆粒溶液的溶液循環(huán)裝置?？梢詫?shí)現(xiàn)相同顆?；虿煌w粒的充分混合。

顆粒尺度在納米級(jí)，使納米級(jí)的顆粒在溶液中通過(guò)超聲振動(dòng)和磁力攪拌充分融合，將納米級(jí)的不同種類金屬顆?；蛘卟煌N類非金屬顆?；蛘卟煌N類金屬與非金屬顆粒充分混合在溶液中。

加工槽7安裝于工作臺(tái)1并用于放置待加工金屬工件6。具體地，工作臺(tái)1上安裝有通信連接控制器的微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)9，加工槽7安裝于微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)9，并與微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)9同步運(yùn)動(dòng)使待加工金屬工件6對(duì)準(zhǔn)輸液裝置。微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)9可以使加工槽7進(jìn)行準(zhǔn)確定向運(yùn)動(dòng)，保證加工槽7與主軸4的相對(duì)位置，并使加工前懸濁液準(zhǔn)確置于待加工金屬工件6上。為了保證加工過(guò)程中的穩(wěn)定性，加工槽7底板上側(cè)固定安裝有用于夾持待加工金屬工件6的工件夾具8。

輸液裝置用于向待加工金屬工件6表面輸送納米顆粒溶液。具體地，工作臺(tái)1上設(shè)置有主軸4，輸液裝置包括吸引管和吸引管夾具5，吸引管一端的開(kāi)口連通顆粒溶液混合循環(huán)容器2，吸引管夾具5夾持吸引管的另一端，使吸引管另一端的開(kāi)口對(duì)準(zhǔn)待加工金屬工件6，吸引管夾具5安裝于主軸4并能夠沿主軸4移動(dòng)。主軸4便于與顆粒溶液混合循環(huán)容器2組合，使納米顆粒溶液通過(guò)與主軸4連接的吸引管夾具5把混合好的懸浮液從顆粒溶液混合循環(huán)容器2吸引至待加工金屬工件6表面，可以一次也可以多次把混合好的溶液置于待加工金屬工件6表面。

電泳輔助裝置12安裝于工作臺(tái)1并分別導(dǎo)通連接電泳輔助陰極和待加工金屬工件6，且在待加工金屬工件6和電泳輔助陰極之間形成用于納米顆粒沉積的電泳輔助電場(chǎng)。具體地，主軸4上安裝有陰極夾具5，陰極夾具5夾持電泳輔助陰極，電泳輔助裝置12的一個(gè)輸出端連接陰極夾具5，作為陰極，另一個(gè)輸出端連接工件夾具8。并在加工時(shí)通以交流或者直流電源，使待加工金屬工件6與陰極間形成輔助電場(chǎng)，輔助顆粒有序沉積，并提高沉積效率。并可在線切換不同陰極，與不同工件組成電泳輔助電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)電泳輔助沉積。

通過(guò)微粒的電泳效應(yīng)對(duì)其施加一定的電場(chǎng)作用，由于電泳沉積具有控制方便，對(duì)顆粒種類及顆粒表面狀態(tài)無(wú)特殊要求等優(yōu)點(diǎn)，所以可以在任意平面、曲面、凸臺(tái)、凹槽等不規(guī)則金屬表面進(jìn)行混合微納顆粒遷移和吸附，或者分次遷移和吸附不同種類顆粒?？蓸O大的提高溶液中極細(xì)顆粒的沉積效率，通過(guò)調(diào)節(jié)電場(chǎng)強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)沉積速率和沉積厚度。

在電場(chǎng)作用下，固液界面上膠體粒子的二維有序化具有在界面上保持膠體穩(wěn)定性的普遍性質(zhì)。外加直流電壓或者方波脈沖對(duì)粒子的沉積結(jié)構(gòu)具有明顯影響，并通過(guò)外加直流電壓或者方波脈沖調(diào)制組裝過(guò)程，提高了二維沉積結(jié)構(gòu)有序性的控制。在外加垂直于界面的交/直流電場(chǎng)的條件下，膠體粒子懸浮液可以在界面上形成多種有序曲面或平面結(jié)構(gòu)。

真空加熱裝置10安裝于工作臺(tái)1，并用于加熱待加工金屬工件6以熔融其表面的部分納米顆粒。把混合好的懸濁液通過(guò)吸引管置于待加工金屬工件6上，在待加工金屬工件6表面上一次或者分次沉積不同種類顆粒得到有序的微粒排列，然后把工件置于真空加熱裝置10中，加熱到熔點(diǎn)較低的犧牲顆粒融化溫度，由于不同顆粒的融化溫度不同，在特定溫度控制下只有特定種類的顆粒會(huì)熔化成熔融狀態(tài)。熔融的顆粒包裹或者粘連到另一種改性顆粒上，并把該種顆粒和金屬工件“焊”在一起，有效提高結(jié)合力，形成微納嵌套結(jié)構(gòu)和顆粒熔融自結(jié)合的效果，以達(dá)到利用微納顆粒對(duì)金屬工件表面進(jìn)行表面親疏水改性并增強(qiáng)顆粒與金屬工件間結(jié)合力的效果。

集成控制柜11，內(nèi)部設(shè)置有控制器，控制器通信連接并控制顆粒溶液混合循環(huán)容器2、輸液裝置和真空加熱裝置10，通過(guò)控制器控制各裝置的工作。具體地，集成控制柜11外部設(shè)置有通信連接控制器的鍵盤(pán)和顯示屏。也可通過(guò)設(shè)置不同裝置實(shí)現(xiàn)設(shè)備的各種功能，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

在上述各具體實(shí)施方式提供的電泳輔助微納顆粒熔融自組裝表面改性設(shè)備的基礎(chǔ)上，還可以在工作臺(tái)1上安裝用于檢測(cè)待加工金屬工件6表面納米顆粒狀態(tài)的視頻檢測(cè)裝置3，可以實(shí)時(shí)對(duì)待加工金屬工件6表面沉積情況和熔融狀態(tài)下的顆粒分布情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。具體地，視頻檢測(cè)裝置3包括安裝于工作臺(tái)1的支架和安裝于支架的電荷耦合圖像傳感器，以提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性，也可采用其他類型的視頻檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

以上對(duì)本發(fā)明所提供的電泳輔助微納顆粒熔融自組裝表面改性設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。