[发明专利]一种具有低摩擦系数的铜基超疏水复合薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于固体表面制备微米或/和纳米结构领域，具体涉及一种具有低摩擦系数的铜基超疏水复合薄膜及其制备方法。

背景技术

近年来，超疏水表面由于其独特的性能在基础研究和工业应用领域显示了很好的应用前景，因而倍受人们的广泛关注。金属在使用过程中，由于腐蚀、摩擦磨损等消耗巨大。由于超疏水表面能够为金属防腐蚀及金属减磨抗磨等方面提供有益的思路，因此，研究开发一种制备具有良好摩擦学性能的金属基超疏水表面及其制备方法尤为重要。

金属铜作为一种重要的工程材料，在人们的日常生活及工业生产中具有重要的作用。在金属铜及其合金表面构建一种具有低摩擦系数的超疏水薄膜，会大大拓展其应用领域。目前，在金属铜基底上制备超疏水表面的文献报道有：《J.Phys.Chem.C.》2012，116，2781-2790发表了题为“Facile Route Toward Mechanically Stable Superhydrophobic Copper Using Oxidation-Reduction Induced Morphology Changes”的论文(S.M.Lee,K.S.Kim,E.Pippel,S.M.Kim,J.H.Kim,H.J.Lee.J.Phys.Chem.C.)首先将铜片在430℃下加热4h获得氧化铜纳米线结构，然后在室温下分别快速或慢速冷却，或者于200℃下氩气流辅助的氢气气氛中进行还原反应2h，最终得到起伏的铜纳米线超疏水结构。此方法为氧化还原法，无需表面修饰，但反应过程需要高温条件，能耗较高。《Mater.Lett.》2010,64,2722-2724发表了题为“A one-step process to engineer superhydrophobic copper surfaces”的论文（Y.Huang,D.K.Sarkar,X.G.Chen.Mater.Lett.），以两铜片分别为正负电极，硬脂酸乙醇溶液为电解液，在直流电作用下，阳极铜电极表面变为蓝色，呈现超疏水性能。该方法需要消耗电能。《Surf.Interface Anal.》2013,45,698-704发表了题为“Construction and corrosion behaviors of a bilayer superhydrophobic film on copper substrate”的论文（J.F.Ou,W.H.Hu,Y.Wang,F.J.Wang,M.S.Xue,W.Li.Surf.Interface Anal.），通过水解和冷凝过程，将3-巯基丙基三甲氧基硅烷分子自组装在刻蚀后的铜表面，然后将全氟硅烷接枝到最终羟基化的铜箔表面，从而得到具有超疏水性能的复合涂层。该方法过程中用到含氟试剂，对环境造成一定程度的污染。《J.Phys.Chem.C.》2012，116，18722-18727发表了题为“Facile Fabrication of a Superhydrophobic Cu Surface via a Selective Etching of High-Energy Facets”的论文（L.J.Liu,F.Y.Xu,L.Ma.J.Phys.Chem.C.），利用简单的一步选择性酸刻蚀技术，在铜片上制备了粗糙超疏水表面，但反应中所用的刻蚀剂有双氧水的添加，双氧水不稳定易分解，同时成本较高。《Surf.Interface Anal.》2009，41，872-877发表了题为“Fabrication and anti-corrosion property of superhydrophobic hybrid film on copper surface and its formation mechanism”的论文（Y.Chen,S.G.Chen,F.Yu,W.W.Sun,H.Y.Zhu,Y.S.Yin.Surf.Interface Anal.），通过简单的一步溶液浸泡过程在铜基底上制备了超疏水表面，所用的溶液为十二硫醇或十四烷基酸的乙醇溶液。《Adv.Mater.》2006，18，767-770发表了题为“One-Step Solution-Immersion Process for the Fabrication of Stable Bionic Superhydrophobic Surfaces”的论文（S.T.Wang,L.Feng,L.Jiang.Adv.Mater.），利用简单的溶液浸泡过程，与不同浓度的硬脂酸反应，在铜片表面生成羧酸铜粗糙结构。以上二者所用过程相对简单，但所得薄膜承载能力较差，易被破坏。2012年王中乾、万勇等人（摩擦学学报，第32卷，第1期，53-58）以铜片为基底，在氢氧化钠的作用下在铜片表面构建氧化亚铜微纳结构，然后覆盖硬脂酸薄膜，该薄膜具有良好的减摩抗磨性能，但对水的接触角小于150°，没有达到超疏水性能。