[发明专利]一种利用热压变形法制备金属基超疏油复合铸层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种热压变形法制备金属基超疏油复合铸层的方法，用于改变金属表面润湿性，使其具有超疏油特性。适用于大面积超疏油表面的制备，制备成本低，易实现，属于电化学沉积领域。

背景技术

润湿(Wetting)是固体界面由固-气界面转变为固-液界面的现象。而润湿性(wettability)是指一种液体在一种固体表面铺展的能力或倾向性。润湿性是存在自然界中的普遍现象，例如雨水落在荷叶表面后形成球状液滴而滚落的现象以及荷叶“出淤泥而不染”的自清洁效应，即为超疏水现象。此外许多动植物如水黾的脚、蝴蝶的翅膀、水稻叶等，也具有超疏水性能。研究表明，所有这些表面所具有的超疏水特性是由于微纳米粗糙结构和低表面能物质共同作用形成的。

润湿性同时也是材料科学和表面工程领域的重要方面，在日常生活、工业生产，农业生产中有许多重要应用。所谓超疏水是指水滴在固体表面的静态接触角超过150°，同理，超疏油即油滴在固体表面的静态接触角超过150°。然而，油滴的表面张力远小于水滴的表面张力，因此，制备具有超疏油特性的固体表面，其难度较之超疏水表面更大，更难实现。相关研究表明，要制备空气中超疏油表面除了需要低表面能分子的修饰外，还要在其带微纳米粗糙结构表面上引进凹入表面曲率，使得微纳米粗糙结构呈内凹或悬臂状。这给制造工艺提出更大的挑战。

目前，大量的文献已经报道了人工仿生超疏水表面，这些材料在表面自清洁，防冰，防雾，防污染，防腐蚀，流体减阻中有广泛的应用。关于疏油表面的报道相对较少，但超疏油表面在工农业生产中比如防油性涂料，海水防污处理，石油管道防油爬行，油水分离中都有巨大的应用空间。金属材料在工程中大量应用，使用面极其广泛，然而金属的抗污染防腐蚀性能较差，因此在金属上制备具有超疏油特性表面具有重大意义。

所谓表面织构(Surface texture)是指物体表面具有一定尺寸和排列的凹坑、凹痕或凸包等图案的阵列。具有微纳米尺度微观织构的表面在表面能、光学特性、仿生特性、机械特性、流体动力学特性及摩擦磨损性能等方面与光滑表面表现出截然不同的特点，这为众多学科研究注入了新的活力，并且在许多工程领域展示出巨大的应用潜力。

疏油表面的制备方法通常遵循自下而上或自上而下的方法。现有制备超疏油表面的工艺方法大致有以下几种：(1)无模板湿法刻蚀(2)飞秒激光刻蚀法(3)静电纺丝法(4)电沉积法(5)溶胶-凝胶法等。

现有技术主要存在以下缺点：(1)无模板湿法刻蚀可以刻蚀硅和聚合物表面，效率高成本低，但刻蚀表面形貌可控性差，该法容易得到超疏水表面，但不易获得超疏油表面。疏油表面可以通过Bosch刻蚀法获得，但工艺复杂，成本高昂；(2)飞秒激光刻蚀法能够制备精度高、形貌规则的微纳嵌套结构表面，但该工艺效率低，不适合大规模制造，且设备极其昂贵；(3)静电纺丝法通过利用微/纳米细丝在表面构筑粗糙结构，可大面积制备超疏水材料，但是制备出的超疏水材料表面微结构的可控性和均匀性较差，耐磨性差，使用寿命较短；(4)普通的电沉积法可以沉积金属或聚合物，能高效便捷地制备具有微纳米粗糙结构表面，但形貌随机性强，不易控制，且不易产生内凹或悬臂的二次凹槽结构。

发明内容

针对上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种利用热压变形法制备金属基超疏油复合铸层的工艺，是普通电沉积法的改进，可以产生形貌可控的内凹或悬臂的二次凹槽结构。

根据本发明的一个方面，提出一种利用热压变形法制备金属基超疏油复合铸层的方法，包括如下步骤：(1)将经过除油去污的金属基底作为电铸阴极，镍板作为阳极连接电源，在阳极和阴极之间通以弥散分布有聚合物材料的微颗粒球的镍基电铸液构成电铸系统，通电使电铸液中聚合物微颗粒球和镍离子在金属基底表面共沉积形成厚度约为50～80um的镍基弥散复合电铸层；(2)电沉积完成后将沉积有电铸层的金属基底作为阳极进行电解，去除电铸层表面上极薄的一层镍金属，使得显露出来的弥散分布的聚合物微颗粒球自身作为微凸体结构；(3)将经过电解加工的工件用精密磨床将工件表面微凸体的高度磨至基本一致；(4)将一光滑平直的压板升温至所选聚合物材料的熔点附近，保持该温度并将其放置于制备好的工件表面微凸体上，通过施加一定压力的方式使微凸体发生非均匀变形，变形后靠近高温压板表面的部位变宽，而其他部位只发生很小的变化，得到开口小于内腔的表面超疏油内凹结构；(5)最后将工件和滴有氟硅烷的承载片共同置于密闭容器中进行烘烤使氟硅烷通过吸附作用在工件表面形成一层纳米薄层的低表面能物质，最终使金属表面达到超疏油性能。