[发明专利]一种金属基亲疏水条纹相间表面构建方法

说明书

本发明公开了属于非硅微加工与微纳功能材料制备技术领域的一种金属基亲疏水条纹相间表面构建方法。该方法将金属丝紧密缠绕在基底上，并在重物压力下烧结形成一体，所得烧结体浸入疏水纳米颗粒悬浊液后，疏水纳米颗粒沉积在基底上未经金属丝覆盖的区域，经高温坚膜后形成超疏水条纹；将金属丝从基底上剥离，暴露出的区域形成亲水条纹；构建的金属基亲疏水条纹相间表面条纹间距、宽度可分别通过金属丝直径、重物压力大小调控，方法简单、易操作，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于非硅微加工与微纳功能材料制备技术领域，特别涉及一种金属基亲疏水条纹相间表面构建方法。

背景技术

自然界中存在的表面以均一浸润性表面为主，例如：超疏水的紫叶芦莉草表面以及超疏水的荷叶表面等；部分表面则呈现出亲疏水相间的二元浸润特性，以实现特定功能，例如：芭蕉叶表面就由亲疏水条纹相间构成，可实现液体的快速收集与脱离。仿生亲疏水条纹相间表面也逐渐受到细胞生化检测、燃料电池水管理、冷凝传热强化等领域的关注。仅2017、2018年关于亲疏水表面冷凝传热研究的自然科学基金立项项目就高达6项。因此，亲疏水相间表面构建方法也成为这些领域备受瞩目的关键技术。目前，亲疏水条纹相间表面构建方法常借助MEMS加工，适用于玻璃、单晶硅、PDMS等非金属表面，且常采用激光、等离子体、同步辐射等高精尖设备，加工成本昂贵，仅适合实验室小规模研制。而在金属基上实现结构参数可控、廉价、可大规模应用、微纳复合的亲疏水条纹相间表面的构建方法则十分有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属基亲疏水条纹相间表面构建方法，具体技术方案如下：

一种金属基亲疏水条纹相间表面构建方法包括以下步骤：

(1)将基底经打磨抛光以保证表面平整，金属丝、基底依次通过丙酮、酒精、去离子水清洗，氮气吹干备用，以去除油污和氧化物，保证表面清洁；将金属丝一端焊接在基底上，沿同一方向将金属丝紧密缠绕在基底上；

(2)将缠绕有金属丝的基底在重物压应力作用下，于金属丝材质、基底材质融化温度与软化温度重叠区间内烧结2-4小时，退火后恢复至室温，得到金属丝与基底的烧结体；

(3)将步骤(2)所得烧结体浸入疏水纳米颗粒悬浊液，疏水纳米颗粒沉积到基底上未被金属丝覆盖的区域，并通过高温坚膜使疏水纳米颗粒固着，形成超疏水条纹；其中疏水纳米颗粒悬浊液中疏水纳米颗粒为聚四氟乙烯纳米颗粒、全氟硅烷纳米颗粒或聚氨酯纳米颗粒，溶剂为易挥发有机溶剂如乙醇，便于纳米颗粒沉积后快速蒸发；高温坚膜的温度为疏水纳米颗粒熔点的60％～80％；

(4)将金属丝从基底上剥离，暴露出金属丝覆盖的区域，形成亲水条纹；亲水条纹与超疏水条纹相间排布，构建成金属基亲疏水条纹相间表面。

为便于金属丝从基底上分离，所选金属丝、基底材质不完全相同，金属丝为纯金属，基底为含对应金属的合金；金属丝为合金，基底为合金中任意一组分对应的纯金属；金属丝与基底材质的融化温度与软化温度区间应有重叠。

优选地，纯金属材质为铜、铝、铁或钛，对应的合金材质为锡青铜、铝镁合金、不锈钢或钛镍合金。

本发明的有益效果为：

(1)本发明采用廉价的金属丝作为掩膜版，结合高温烧结技术和疏水纳米颗粒选择性沉降工艺制备的金属基亲疏水条纹相间表面，表面结构参数包括条纹间距，条纹宽度，超疏水条纹的微观形貌、厚度、粗糙度及接触角等均可控；

(2)本发明采用纳米颗粒沉积并固着在基底上形成超疏水条纹，这种无化学反应，仅靠重力沉积、分子间作用力固着的物理加工方式，使得超疏水条纹材质选取不受基底材质的影响，本发明构建方法对基底材质也无特殊要求；