[发明专利]一种具有机械和化学稳定性的超疏水航空钢表面制备方法

说明书

一种具有机械和化学稳定性的超疏水航空钢表面制备方法，打磨后的航空钢试样作为阳极，铜电极作为阴极，质量分数为25％NaNO₃溶液作为电解液，两电极之间的距离为0.5mm，电化学刻蚀过程中电极间充满流速为120L/h的电解液，刻蚀后经过氟硅烷降低表面能可以获得接触角约为165°，滚动角约为5°的超疏水航空钢表面。超疏水航空钢表面具有一定的耐摩擦、抗腐蚀和能够抵抗环境温度变化等特点，比如超疏水航空钢表面负重50g砝码在2000号砂纸上匀速滑动8m后仍为疏水状态，经过加热冷却循环10次后仍为超疏水状态，在电解液中会产生一层气膜，使电化学回路中电阻大幅增加，腐蚀电位提高，表现出较好的耐化学腐蚀特性。

技术领域

本发明涉及一种具有机械和化学稳定性的超疏水航空钢表面制备方法，属于电化学加工领域。

背景技术

超疏水指的是浸润性的一种极端性质，固体表面的润湿性主要由其化学组成和微光组织结构决定的。一般通过接触角衡量固体表面润湿性，当液滴在超固体表面上接触角大于150°时，称之为超疏水表面。航空钢(30Cr2Ni2WVA)是一种高强度和高韧性的优质合金钢，广泛应用于航空航天、电力和船舶等行业。由于液滴难以浸润超疏水表面，表现出很强的憎水性，因而超疏水表面具有自清洁和抗腐蚀等特点。超疏水表面的粗糙结构通常是微纳米尺度的，这类微观结构极易受到破坏进而影响固体表面的疏水性能，因而制备出一种耐摩擦和耐腐蚀的超疏水表面对于将超疏水技术应用于实际生产具有重要意义。

制备超疏水表面主要包括加工微纳米粗糙化结构和降低表面能，目前制备超疏水表面的方法主要包括涂层法、电化学刻蚀法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、等离子体刻蚀法和激光刻蚀法等。现有技术中，CN104513579A公开了“一种超疏水涂料及其制备方法”，提出将微纳米颗粒与树脂材料混合制备超疏水涂层，此法特点是成膜性能好并且不易脱落，但是制备过程繁琐，疏水性较差。另外一篇现有技术CN109249137A公开了“一种激光与碱溶液复合刻蚀超疏水铝合金表面的方法”，提出将红外激光与碱溶液结合后在铝合金刻蚀出微结构，此法特点是刻蚀后表面微结构与基底结合牢固，疏水效果好，但是表面粗糙化程度十分明显，影响表面质量，限制了超疏水表面的应用。然而电化学刻蚀法具有操作简单，刻蚀效率高，可在开放环境下操作等优点，因而采用电化学刻蚀方法加工航空钢表面，制备微米级粗糙化结构。

发明内容

本发明提出了一种具有机械和化学稳定性的超疏水航空钢表面制备方法，以打磨过的航空钢表面为基体，利用电化学加工装置制备超疏水表面。然后，通过摩擦磨损试验、温升试验和耐腐蚀试验证了超疏水航空钢表面的机械稳定性和化学稳定性。

本发明的技术方案：

一种具有机械和化学稳定性的超疏水航空钢表面制备方法，步骤如下：

(1)电化学刻蚀：依次经过400～1500号的砂纸打磨后航空钢工件嵌入阳极载体内，航空钢工件与阴极之间的间隙为0.4～0.5mm，两电极之间电解液的流速为100～120L/h；电化学刻蚀时间为60～90s，电解液为20～25wt％的NaNO₃溶液，电流密度分别为5～7A/cm²；

(2)清洗：将电化学刻蚀后的航空钢工件在去离子水中静置1～2min，去除表面电解液杂质后烘干备用；

(3)降低表面能：将烘干后的航空钢工件浸泡在质量分数为1％的无水乙醇氟硅烷溶液中降低表面能，放置在温度为60～80℃的恒温箱中45～60min，冷却至室温后即获得表面为超疏水的航空钢工件。

本发明的有益效果：利用电化学刻蚀法构造微纳米粗糙化结构，当电流密度为5A/cm²、电化学加工时间为90s和电解液为25wt％硝酸钠溶液时可以获得液滴接触角和滚动角分别为165°和5°的超疏水航空钢表面。同其他疏水表面制备方法相比，电化学刻蚀法具有操作简单、对环境要求不高、成本低廉、表面加工质量均匀以及加工效率高等优点。