一种仿生仙人掌刺锥形铜针的制备装置

1.本实用新型涉及材料技术领域，尤其是一种仿生仙人掌刺锥形铜针的制备装置。


背景技术：

2.仙人掌之所以能够在极度干旱的沙漠中生存，主要是因为其锥形的仙人掌针刺结构能够驱动液滴向针刺底部自发定向运动，从而实现空气中微小水雾的收集。仙人掌的生存系统之一在于其有效的雾水收集系统。这个独特的系统是由仙人掌茎上分布均匀的锥形刺和毛状体组成的。每根仙人掌刺包含3个完整的部分，根据其表面的结构特征，在雾水收集过程中有不同的作用。拉普拉斯压力梯度、表面自由能梯度和多功能集合的特点使仙人掌具有高效的雾水收集系统。研究和开发仿生仙人掌集水器在沙漠和海上淡水收集等领域具有广阔的应用前景。
3.但目前制作有锥度的仿生针都有着成本高或操作复杂的问题，因此研发设计一种低成本、简便实用的锥针制作装置十分重要。


技术实现要素：

4.针对目前制作有锥度的仿生仙人掌刺锥形铜针存在的成本高，操作复杂的问题，本实用新型提供一种仿生仙人掌刺锥形铜针的制备装置。
5.本实用新型提供的仿生仙人掌刺锥形铜针的制备装置，其结构包括步进电机、电机控制器、滚珠丝杠、铜棒、铜棒夹具、电解池、环形铜片、直流电源。所述步进电机动力输出端朝下且连接滚珠丝杠，铜棒夹具与滚珠丝杠上的滑块固定连接。铜棒夹具下端夹持直立的铜棒上端，铜棒正下方设置电解池，电解池内放置环形铜片，铜棒的下端正对环形铜片的圆心。电解池内盛装硫酸铜电解液，铜棒和环形铜片分别连接直流电源的正极和负极。电解时，步进电机带动铜棒上下移动，使铜棒下端进入电解液或从电解液中移除，制备得到锥形铜针。
6.所述电机控制器与步进电机连接，电机控制器通过设置程序控制铜棒上下移动的速度和距离。通过控制铜棒的上下移动速度和距离，制备出不同锥角大小的铜针。
7.优选的是，所述滚珠丝杠和步进电机之间通过联轴器直接连接。
8.优选的是，所述铜棒夹具与滚珠丝杠上的滑块通过螺栓固定连接或纳米胶粘接。
9.优选的是，所述铜棒夹具的结构包括夹持块a、夹持块b和螺纹柱，螺纹柱一端设有旋钮，夹持块a通过其中部的通过套设固定在螺纹柱上靠近旋钮的一侧，该夹持块上远离旋钮的侧面固定设置两根导轨，两根导轨对称设置于螺纹柱两侧；夹持块b中部设置三个通孔，中间的通孔是螺纹孔，螺纹孔穿过螺纹柱，另外两个通孔分别穿过两根导轨，通过旋转螺纹柱旋钮控制夹持块b在螺纹柱上左右移动，两个夹持块内侧面正对设置有放置铜棒的限位槽，两个夹持块将铜棒夹紧实现铜棒的夹持；夹持块a与滚珠丝杠上的滑块固定连接。
10.与现有技术相比，本实用新型的有益之处在于：
11.本实用新型的锥形铜针的制备装置，利用电化学腐蚀反应以及程序化控制铜针的
上下移动速度和距离，实现将普通铜柱刻蚀成锥形铜针，并且通过程序化控制铜针的上下移动速度和距离控制进而控制电化学反应时间，刻蚀不同锥角的铜针，解决了不同锥角规格仿生铜针的制备难的问题。
12.本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
13.图1为本实用新型提供的仿生锥形铜针的制备装置结构示意图。
14.图中标号：1-电机控制器、2-直流电源、3-步进电机、4-滚珠丝杠、5-铜棒夹具、6-铜棒、7-电解池、8-环形铜片、9-滑块。
15.图2为铜棒夹具的结构示意图。
16.图中标号：51-夹持块a、52-夹持块b、53-螺纹柱、54-旋钮、55-导轨。
17.图3为本实用新型提供的仿生锥形铜针的制备装置的制备铜针原理示意图。
18.图4为采用本实用新型提供的仿生锥形铜针的制备装置制作出的不同锥角铜针光学图片。
具体实施方式
19.以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
20.如图1和2所示，本实用新型提供的仿生仙人掌刺锥形铜针的制备装置，其结构包括电机控制器1、直流电源2、步进电机3、滚珠丝杠4、铜棒夹具5、铜棒6、电解池7、环形铜片8。所述步进电机3动力输出端朝下且通过联轴器连接滚珠丝杠4，铜棒夹具5与滚珠丝杠上的滑块9固定连接，连接方式可以是螺栓连接或纳米胶粘接。铜棒夹具5下端夹持直立的铜棒6上端，铜棒6正下方设置电解池7，电解池内放置环形铜8片，铜棒6的下端正对环形铜片6的圆心。电解池7内盛装硫酸铜电解液，铜棒6和环形铜片8分别连接直流电源2的正极和负极。电解时，步进电机3带动铜棒6上下移动，使铜棒6下端进入电解液或从电解液中移除，制备得到锥形铜针。
21.所述电机控制器与步进电机连接，电机控制器通过设置程序控制铜棒上下移动的速度和距离。通过控制铜棒的上下移动速度和距离，制备出不同锥角大小的铜针。
22.在一个实施例中，如图2所示，所述铜棒夹具的结构包括夹持块a51、夹持块b 52和螺纹柱53，螺纹柱一端设有旋钮54，夹持块a通过其中部的通过套设固定在螺纹柱上靠近旋钮的一侧，该夹持块上远离旋钮的侧面固定设置两根导轨55，两根导轨对称设置于螺纹柱两侧；夹持块b中部设置三个通孔，中间的通孔是螺纹孔，螺纹孔穿过螺纹柱，另外两个通孔分别穿过两根导轨，通过旋转螺纹柱旋钮控制夹持块b在螺纹柱上左右移动，两个夹持块内侧面正对设置有放置铜棒6的限位槽，两个夹持块将铜棒夹紧实现铜棒的夹持；夹持块a 51与滚珠丝杠上的滑块9固定连接。
23.采用上述制备装置制备锥形铜针的方法原理如图3所示。
24.采用上述制备装置制备锥形铜针的方法，步骤如下：
25.首先，为了去除铜棒表面的杂质，用20％稀硝酸浸泡10min后，用乙醇和去离子水
反复清洗。然后，将铜棒一端固定在铜棒夹具上，另一端浸入0.15mol/l硫酸铜电解质溶液中作为工作电极(阳极)进行电化学腐蚀。另一块抛光铜片同轴地环绕铜棒形成环形铜片，作为对电极(阴极)。当工作电极以一定速度从下往上移动时，可以成功制备出锥形铜针。通过调节铜棒的移动速度以及浸入反应池铜棒的长度可以实现铜针锥角的控制。优选的是，铜棒的移动速度大于0.2mm/s，从而保证相对更加光滑的表面。
26.通过程序化控制铜针的上下移动速度和距离，可以得到不同锥角的铜针，如图4所示。
27.以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。


技术特征：
1.一种仿生仙人掌刺锥形铜针的制备装置，其特征在于，包括步进电机、电机控制器、滚珠丝杠、铜棒、铜棒夹具、电解池、环形铜片、直流电源，所述步进电机动力输出端朝下且连接滚珠丝杠，铜棒夹具与滚珠丝杠上的滑块固定连接，铜棒夹具下端夹持直立的铜棒上端，铜棒正下方设置电解池，电解池内放置环形铜片，铜棒的下端正对环形铜片的圆心，电解池内盛装硫酸铜电解液，铜棒和环形铜片分别连接直流电源的正极和负极；电解时，步进电机带动铜棒上下移动，使铜棒下端进入电解液或从电解液中移除，制备得到锥形铜针。2.如权利要求1所述的仿生仙人掌刺锥形铜针的制备装置，其特征在于，所述电机控制器与步进电机连接，电机控制器通过设置程序控制铜棒上下移动的速度和距离。3.如权利要求2所述的仿生仙人掌刺锥形铜针的制备装置，其特征在于，通过控制铜棒的上下移动速度和距离，制备出不同锥角大小的铜针。4.如权利要求1所述的仿生仙人掌刺锥形铜针的制备装置，其特征在于，所述滚珠丝杠和步进电机之间通过联轴器直接连接。5.如权利要求1所述的仿生仙人掌刺锥形铜针的制备装置，其特征在于，所述铜棒夹具与滚珠丝杠上的滑块通过螺栓固定连接或纳米胶粘接。

技术总结
本实用新型公开了一种仿生仙人掌刺锥形铜针的制备装置，其结构包括步进电机、电机控制器、滚珠丝杠、铜棒、铜棒夹具、电解池、环形铜片、直流电源，所述步进电机动力输出端朝下且连接滚珠丝杠，铜棒夹具与滚珠丝杠上的滑块固定连接，铜棒夹具下端夹持直立的铜棒上端，铜棒正下方设置电解池，电解池内放置环形铜片，铜棒的下端正对环形铜片的圆心，电解池内盛装硫酸铜电解液，铜棒和环形铜片分别连接直流电源的正极和负极；电解时，步进电机带动铜棒上下移动，使铜棒下端进入电解液或从电解液中移除；所述电机控制器与步进电机连接，电机控制器通过设置程序控制铜棒上下移动的速度和距离，制备出不同锥角大小的铜针。制备出不同锥角大小的铜针。制备出不同锥角大小的铜针。


技术研发人员：陈朝浪 刘洋凯 刘剑
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/7/28