[发明专利]一种耐磨疏水纳米复合薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属表面处理和改性技术领域，特别涉及一种耐磨疏水纳米复合薄膜及其制备方法。

背景技术

随着现代制造业的快速发展和材料服役环境的不断复杂化，利用硬质薄膜进行表面改性逐渐成为材料表面防护的重要途径，同时也对硬质薄膜的使用性能提出了越来越高的要求。在很多苛刻的使役环境下，比如舰载机发动机进气口的防冰、舰船表面金属的海洋防腐等领域里，要求硬质薄膜有较强的综合性能，一方面要有优异的力学性能，以提高零部件表面耐磨减摩特性，另一方面也需要有良好的疏水性，起到增强防冰和防潮作用。因此，寻求具有优异力学性能和高疏水性的硬质薄膜成为提高材料表面防护的一条重要途径。

一般认为，材料表面的超疏水特性是由固体表面能和表面微细结构共同引起的。近年来，伴随着生物表面荷叶效应的发现，关于微结构表面超疏水性能的研究成为热点，对各种生物表面疏水性的基础研究表明，许多生物表面具有微米与纳米相结合的阶层结构，这种微纳米尺度结合的双层或多层复杂粗糙结构正是许多生物表面具有超疏水性能的根本原因，人们受此启发，已通过应用表面微加工技术例如超快激光加工、紫外光刻、等离子体刻蚀、电子束刻蚀等技术在材料表面制作微纳米尺度结合的复杂粗糙结构实现了材料表面的超疏水性能，使得材料具有无比优越的自洁特性，材料的防污染、防老化、防氧化、抗腐蚀等能力也得到大大提高。

目前，针对疏水薄膜的研究主要集中在机聚合物薄膜和纳米粒子复合功能膜上，其中，在有机聚合物薄膜的研究中，虽然疏水性能得到大幅度提升，但仍旧面临着以下问题：

(1)有机聚合物薄膜本身的机械性能不高，表面硬度较低、韧性、耐磨性较差，抗划伤性能不能达到要求。如氟碳疏水薄膜的硬度只有2～3GPa。

(2)有机聚合物薄膜的膜基结合力较低，耐冲刷性能较差。如氟碳疏水薄膜划痕实验得到的结合力低于10N。

(3)制备有机聚合物薄膜所需的源材料多为价格昂贵的氟碳气体，部分甚至有毒，不仅造成环境污染，还会影响人身安全。

因此，如何同时具备耐久的微观结构和机械强度较高的薄膜材料是构建耐久性疏水薄膜的关键点和难点。

本发明旨在在保证机械性能的基础上，尽可能地追求疏水性能，以拓宽硬质薄膜的应用范围。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种耐磨疏水纳米复合薄膜及其制备方法。其特点是首先利用电弧离子镀在基体材料表面沉积一种力学性能优异的纳米复合硬质薄膜，然后再利用超快激光加工技术在薄膜表面产生微纳双重结构。

疏水性是由固体表面能和表面微细结构共同引起的，虽然纳米复合薄膜多为共价键的氮(碳)化物，属于高表面能材料，而Herminghaus提出，带有阶层机构的表面能够使任何材料构成的表面变得不可润湿，意味着在高表面能材料上构筑阶层结构也能得到疏水表面。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种耐磨疏水纳米复合薄膜，其特征在于，所述的复合薄膜是以高速钢、或钛合金、或硬质合金、或纯金属为基体，在其表面依次制备有纯金属薄膜、带有微结构形貌的纳米复合薄膜。

所述的一种耐磨疏水纳米复合薄膜，其特征在于：所述纯金属薄膜的厚度为0.05～0.2μm，所述带有微结构形貌的纳米复合薄膜的厚度为0.8～1.0μm。

所述的一种耐磨疏水纳米复合薄膜，其特征在于：其对水的接触角大于140°。

所述的一种耐磨疏水纳米复合薄膜的制备方法，其特征在于，该方法包括以下具体顺序步骤：

(1)金属工件清洗

将金属工件经清洗、干燥后置于真空电弧离子镀设备内，在真空条件下通入氩气进行氩离子辉光清洗；

(2)薄膜沉积

在步骤(1)处理后的金属工件表面沉积一层纯金属薄膜；完成后，在金属工件表面继续沉积一层纳米复合硬质薄膜；之后降温冷却至室温，取出金属工件；

(3)超快激光加工

将所述表面沉积一层纳米复合硬质薄膜的金属工件放置在激光微加工设备的工作台面上，开启激光器，设置激光扫描路径，进行激光加工，使得金属工件表面的纳米复合硬质薄膜产生微纳双重结构，制备完成带有微结构形貌的纳米复合薄膜。

所述的一种耐磨疏水纳米复合薄膜的制备方法，其特征在于：所述金属工件的材料是高速钢、钛合金、硬质合金、纯金属中的一种。