一种超疏水分形微织构激光制备方法

1.本发明涉及金属或合金表面激光加工领域，具体涉及一种超疏水分形微织构激光制备方法。


背景技术：

2.在海洋装备、飞机航天中铝合金由于具有密度小、耐蚀性好等优异性能而被广泛运用，如船舶设备、飞机外壳等；在生物医疗方面，钛合金生物相容性好，耐腐蚀性和和抗疲劳性能优越，常被用于制作各种骨折内固定器械、人工关节、人工心脏瓣膜等。然而，金属或合金表面自身润湿性好，在湿度较大的环境下极易发生腐蚀失效，严重影响材料的结构强度和各项性能，降低其服役寿命。
3.为了改善高端装备表面服役性能，可采用激光技术在金属或合金表面制备一种超疏水微织构，提高其表面耐腐蚀性能。超疏水一般指接触角大于150
°
，滚动角小于10
°
的表面，当材料具备超疏水特性时，液体更容易从表面滚落，减少表面与液体的接触时间，从而使得材料表面具有一定的耐腐蚀性。激光加工具有加工范围广、加工精度高、加工简单、稳定等优点，可高精度加工任意图案结构，因此，选用激光技术进行微织构加工。
4.如今传统微织构加工图案多为圆柱、方柱，是一级微织构，可以达到超疏水，但疏水能力较小，而多级微织构具有更好的疏水性。


技术实现要素：

5.为解决传统疏水微织构疏水性较小、使用寿命低等问题，本发明提供了一种超疏水分形微织构激光制备方法，通过matlab编程生成peano分形微织构，采用激光技术在金属或合金表面制备该分形微织构，并使用全氟癸基三乙氧基硅烷进行低表面能修饰获得超疏水金属或合金分形微织构表面，使其表面具有良好的耐腐蚀性和防污自清洁性能。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超疏水分形微织构激光制备方法，具体包括以下步骤：（1）通过matlab编程生成具有一定长度一定间距的peano分形微织构，经过数次迭代，获得peano分形微织构图案，所述peano分形微织构形成过程为：s1、定义4个空矩阵以储存peano分形的初始元，分别为a=[]、b=[]、c=[]、d=[]；s2、定义4个单位长度的方向线段，分别为north=[0 a]、east=[a 0]、south=[0
ꢀ‑
a]、west=[-a 0]，a为peano分形微织构边长；s3、定义4个peano初始元，分别为aa=[ b; north ; a ; east ; a ; south ; c];bb = [a ; east ; b ; north ; b ; west ; d];cc = [d ; west ; c ; south ; c ; east ; a];dd = [c ; south ; d ; west ; d ; north ; b];s4、将4个初始元赋值到对应矩阵，即
a = aa; b = bb; c = cc; d = dd；s5、重复s3，s4的操作，将其定义为一个迭代步，进行多次迭代；s6、迭代完成后，输出peano分形图案；（2）对金属或合金试样进行预处理，即针对金属或合金试样在金相硅胶软模具中用环氧树脂cm4进行镶样、再依次经不同目数砂纸打磨、抛光剂抛光、清洗备用；（3）将预处理好的金属或合金试样放置在激光扫描平台上，调整加工表面与激光镜头的相对距离，使加工表面在激光的焦点上；调整激光加工参数，将peano分形微织构图案导入激光打标机进行加工，再用无水乙醇进行超声波清洗和干燥处理；（4）将制备的peano分形微织构表面浸入1h,1h,2h,2h-全氟癸基三乙氧基硅烷乙醇溶液中进行改性处理，接着在50 ℃下进行烘干处理，得到金属或合金表面超疏水分形微织构。
[0007]
进一步地，本发明还限定了步骤（1）中的peano分形微织构尺寸：其边长为50μm~200μm，迭代次数为6~8次，深度为10μm ~40μm。
[0008]
进一步地，本发明还限定了步骤（2）的金属或合金试样预处理的过程如下：s1、将金属或合金试样切割成15mm
×
15mm
×
3mm大小的样品，置于内径为30mm的金相硅胶软模具中用环氧树脂cm4镶样至凝固；s2、将镶好的样品依次用180目、400目、800目、1200目、1500目、2000目、4000目砂纸打磨，随后采用粒数分别为3.5μm、2.5μm、1.5μm、0.5μm的金刚石喷雾抛光剂抛光，最后分别用丙酮、无水乙醇和去离子水超声波清洗机清洗，用吹风机吹干。
[0009]
进一步地，本发明还限定了步骤（3）中激光加工参数：加工表面与激光镜头的相对距离176mm，激光功率为5w~8w、激光频率为20khz~40khz、扫描速度为300mm/s~1000mm/s，激光脉冲宽度为100 ns、波长为1064 nm。
[0010]
进一步地，本发明还限定了步骤（4）中1h,1h,2h,2h-全氟癸基三乙氧基硅烷乙醇溶液中1h,1h,2h,2h-全氟癸基三乙氧基硅烷与乙醇的投料体积比为1：100。
[0011]
进一步地，本发明还限定了步骤（4）中进行改性处理的浸入时间为15-20min，优选为20min。
[0012]
本发明的有益效果表现在：本发明通过激光在金属或合金表面制备peano分形微织构，并使用1h,1h,2h,2h-全氟癸基三乙氧基硅烷进行低表面能修饰获得超疏水表面，该peano分形微织构图案具有等长等间距、分布均匀、可控性高的特点，并且表面接触角达到150
°
以上，表面具有优异的耐腐蚀性和防污自清洁性能。
附图说明
[0013]
图1 为本发明实施例1的peano分形微织构尺寸示意图；图2 为本发明的实施例1peano分形微织构图案；图3 为本发明实施例1激光加工peano分形微织构试样；图4 为实施例1peano微织构表面放大20倍三维形貌图；图5 为本发明圆柱分形加工微织构图案；图6 为本发明方柱分形加工微织构图案；图7为实施例2边长为50μm 的peano分形微织构表面接触角测量示意图；
图8为实施例1边长为100μm 的peano分形微织构表面接触角测量示意图；图9为实施例3边长为150μm 的peano分形微织构表面接触角测量示意图；图10为实施例4边长为200μm 的peano分形微织构表面接触角测量示意图；图11为实施例5边长为250μm 的peano分形微织构表面接触角测量示意图；图12为圆柱微织构表面接触角测量示意图；图13为方柱微织构表面接触角测量示意图。
实施方式
[0014]
以下结合说明书附图对本发明作进一步的描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：实施例1 一种超疏水peano分形微织构激光制备方法，包括如下步骤：（1）peano分形微织构设计通过matlab编程生成peano分形，设计微织构边长为100μm，迭代7次； 具体步骤如下：s1、定义4个空矩阵以储存peano分形的初始元，分别为a=[]、b=[]、c=[]、d=[]；s2、定义4个方向线段的长度为微织构边长，长度为0.1mm，即边长为100μm，分别为north=[0 0.1]、east=[0.1 0]、south=[0
ꢀ‑
0.1]、west=[-0.1 0]；s3、定义4个peano初始元，分别为aa=[ b; north ; a ; east ; a ; south ; c];bb = [a ; east ; b ; north ; b ; west ; d];cc = [d ; west ; c ; south ; c ; east ; a];dd = [c ; south ; d ; west ; d ; north ; b];s4、将4个初始元赋值到对应矩阵，即a = aa; b = bb; c = cc; d = dd；s5、重复s3，s4的操作，将其定义为一个迭代步，进行7次迭代；s6、迭代完成后，输出peano分形图案，加工微织构尺寸示意图如图1所示，加工微织构图案如图2所示；（2）纯铝试样预处理s1、将纯铝板材用ht400电火花线切割机切割成15mm
×
15mm
×
3mm大小的样品，而后将样品放置在内径为30mm的金相硅胶软模具中用环氧树脂cm4镶样，待其凝固（4小时）；s2、将镶好的样品分别用180目、400目、800目、1200目、1500目、2000目、4000目的砂纸打磨，随后采用粒数分别为3.5μm、2.5μm、1.5μm、0.5μm的金刚石喷雾抛光剂抛光。分别用丙酮、无水乙醇和去离子水超声波清洗机清洗，用吹风机吹干；（3）激光制备peano分形微织构将步骤（2）清洗好的试样放置在激光扫描平台上，调整加工表面与激光镜头的相对距离为176mm，使加工表面在激光的焦点上；调整激光加工参数：激光功率为6w、激光频率为20khz、扫描速度为500mm/s、脉冲宽度为100ns、波长为1064nm，将peano分形导入合申激光打标机hsg-1a20w进行加工，加工后的试样如图3所示，其三维形貌如图4所示；（4）氟硅烷修饰
使用1h,1h,2h,2h-全氟癸基三乙氧基硅烷作为低表面能修饰材料，配置氟硅烷乙醇溶液，其中，氟硅烷：乙醇的体积占比为1：100，将步骤（3）得到的试样表面浸入氟硅烷乙醇溶液20min对表面进行改性处理，然后在50℃的温度下烘干，得到peano微织构超疏水纯铝表面。
实施例2
[0015]
本实施例中步骤（1）边长为50μm的peano分形微织构设计；步骤s2具体为：定义4个方向线段的长度为微织构边长，长度为0.05mm，即边长为50μm，分别为north=[0 0.05]、east=[0.05 0]、south=[0
ꢀ‑
0.05]、west=[-0.05 0]；其他步骤同实施例1得到边长为50μm的peano微织构超疏水纯铝表面。
实施例3
[0016]
本实施例中步骤（1）边长为150μm的peano分形微织构设计的步骤s2具体为：定义4个方向线段的长度为微织构边长，长度为0.15mm，即边长为150μm，分别为north=[0 0.15]、east=[0.15 0]、south=[0
ꢀ‑
0.15]、west=[-0.15 0]；其他步骤同实施例1得到边长为150μm的peano微织构超疏水纯铝表面。
实施例4
[0017]
本实施例中步骤（1）边长为200μm的peano分形微织构设计的步骤s2具体为：定义4个方向线段的长度为微织构边长，长度为0.20mm，即边长为200μm，分别为north=[0 0.2]、east=[0.2 0]、south=[0
ꢀ‑
0.2]、west=[-0.2 0]；其他步骤同实施例1得到边长为200μm的peano微织构超疏水纯铝表面。
实施例5
[0018]
本实施例中步骤（1）边长为250μm的peano分形微织构设计的步骤s2具体为：定义4个方向线段的长度为微织构边长，长度为0.25mm，即边长为250μm，分别为north=[0 0.25]、east=[0.25 0]、south=[0
ꢀ‑
0.25]、west=[-0.25 0]；其他步骤同实施例1得到边长为250μm的peano微织构超疏水纯铝表面。
[0019]
对比例1 超疏水圆柱微织构激光制备方法步骤（1）加工的步骤s1具体为：设计圆柱直径为100μm，间距为100μm，加工微织构图案如图5所示；其他步骤同实施例1，得到圆柱微织构纯铝表面。
[0020]
对比例1 超疏水方柱微织构激光制备方法步骤（1）加工的步骤s1具体为：设计方柱边长为100μm，间距为100μm，加工微织构图案如图6所示，得到方柱微织构纯铝表面。
[0021]
本发明将得到的边长分别为50μm、100μm、150μm、200μm、250μm的peano微织构的超疏水纯铝表面与圆柱微织构纯铝表面、方柱微织构纯铝表面进行接触角测量，具体为：使用dsa30s接触角张力测量仪（德国kruss 公司）测试加工后具有不同微织构纯铝表面的接触角，测试液滴体积为4μl，测量方式为座滴法，拟合方法为young-laplace法，接触角测量试验重复三次并取平均值，图7-11所示为边长分别为50μm、100μm、150μm、200μm、250μm的
peano分形微织构纯铝表面，图12-13所示为圆柱微织构纯铝表面、方柱微织构纯铝表面接触角测量值，从图7-11中可以看出，边长分别为50μm、100μm、150μm、200μm、250μm的peano分形微织构纯铝表面接触角分别为154.2
°
、162.7
°
、158.5
°
、153.2
°
、144.0
°
，可见边长为100μm 的peano分形微织构纯铝表面具有更好的疏水性能。
[0022]
将边长为100μm 的peano分形微织构纯铝表面与圆柱微织构纯铝表面、方柱微织构纯铝表面进行比较。如图12-13所示，圆柱微织构纯铝表面的接触角为159.7
°
，方柱微织构纯铝表面的接触角为158.1
°
，将边长为100μm 的peano分形微织构纯铝表面的接触角为162.7
°
，相比圆柱微织构纯铝表面提高了2.8
°
，相比方柱微织构纯铝表面提高了4.6
°
，可见peano分形微织构具有更好的疏水性能。
[0023]
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

技术特征：
1.一种超疏水分形微织构激光制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）通过matlab编程生成具有一定长度一定间距的peano分形微织构，经过数次迭代，获得peano分形微织构图案，所述peano分形微织构形成过程为：s1、定义4个空矩阵以储存peano分形的初始元，分别为a=[]、b=[]、c=[]、d=[]；s2、定义4个单位长度的方向线段，分别为north=[0a]、east=[a0]、south=[0-a]、west=[-a0]，a为peano分形微织构边长；s3、定义4个peano初始元，分别为aa=[b;north;a;east;a;south;c];bb=[a;east;b;north;b;west;d];cc=[d;west;c;south;c;east;a];dd=[c;south;d;west;d;north;b];s4、将4个初始元赋值到对应矩阵，即a=aa;b=bb;c=cc;d=dd；s5、重复s3，s4的操作，将其定义为一个迭代步，进行多次迭代；s6、迭代完成后，输出peano分形图案；（2）对金属或合金试样进行预处理，即针对金属或合金试样在金相硅胶软模具中用环氧树脂cm4进行镶样、再依次经不同目数砂纸打磨、抛光剂抛光、清洗备用；（3）将预处理好的金属或合金试样放置在激光扫描平台上，调整加工表面与激光镜头的相对距离，使加工表面在激光的焦点上；调整激光加工参数，将peano分形微织构图案导入激光打标机进行加工，再用无水乙醇进行超声波清洗和干燥处理；（4）将制备的peano分形微织构表面浸入1h,1h,2h,2h-全氟癸基三乙氧基硅烷乙醇溶液中进行改性处理，接着在50℃下进行烘干处理，得到金属或合金表面超疏水分形微织构。2. 根据权利要求1所述的一种超疏水分形微织构激光制备方法，其特征在于步骤（1）中的peano分形微织构尺寸：其边长为50μm~200μm，迭代次数为6~8次，深度为10μm~40μm。3.根据权利要求1所述的一种超疏水分形微织构激光制备方法，其特征在于步骤（1）中的peano分形微织构尺寸：其边长为100μm~150μm。4.根据权利要求1所述的一种超疏水分形微织构激光制备方法，其特征在于步骤（1）中的peano分形微织构尺寸：其边长为100μm。5.根据权利要求1所述的一种超疏水分形微织构激光制备方法，其特征在于步骤（2）的金属或合金试样预处理的过程如下：s1、将金属或合金试样切割成15mm
×
15mm
×
3mm大小的样品，置于内径为30mm的金相硅胶软模具中用环氧树脂cm4镶样至凝固；s2、将镶好的样品依次用180目、400目、800目、1200目、1500目、2000目、4000目砂纸打磨，随后采用粒数分别为3.5μm、2.5μm、1.5μm、0.5μm的金刚石喷雾抛光剂抛光，最后分别用丙酮、无水乙醇和去离子水超声波清洗机清洗，用吹风机吹干。6. 根据权利要求1所述的一种超疏水分形微织构激光制备方法，其特征在于步骤（3）中激光加工参数：加工表面与激光镜头的相对距离176mm，激光功率为5w~8w、激光频率为20khz~40khz、扫描速度为300mm/s~1000mm/s，激光脉冲宽度为100ns、波长为1064nm。
7.根据权利要求1所述的一种超疏水分形微织构激光制备方法，其特征在于步骤（4）中1h,1h,2h,2h-全氟癸基三乙氧基硅烷乙醇溶液中1h,1h,2h,2h-全氟癸基三乙氧基硅烷与乙醇的投料体积比为1：100。8.根据权利要求1所述的一种超疏水分形微织构激光制备方法，其特征在于步骤（4）中进行改性处理的浸入时间为15-20min。9.根据权利要求1所述的一种超疏水分形微织构激光制备方法，其特征在于步骤（4）中进行改性处理的浸入时间为20min。

技术总结
本发明属于分形微织构制备技术领域，具体公开了一种超疏水分形微织构激光制备方法。首先，通过matlab编程生成具有一定长度一定间距的peano分形微织构，经过数次迭代，获得peano分形微织构图案；其次，对金属或合金表面进行预处理；而后，采用激光加工技术在表面制备peano分形微织构；最后，采用全氟癸基三乙氧基硅烷对peano分形微织构表面进行低表面能修饰，最终获得超疏水金属或合金表面。本发明提供的peano分形微织构图案具有等长等间距、分布均匀、可控性高的特点，该分形微织构表面接触角达到150


技术研发人员：丁丛 乔支照 朴钟宇 侯文涛 周振宇 冯诗晴
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：2023.06.06
技术公布日：2023/10/6