[发明专利]一种利用超短脉冲激光制备锌合金超疏水自清洁表面的方法

说明书

技术领域：

本发明属于金属材料表面改性技术，涉及锌合金基体上仿生超疏水自清洁表面的制备方法，更具体地说，本发明涉及一种利用超短脉冲激光制备锌合金超疏水自清洁表面的方法。

背景技术：

自然界的生物经过亿万年优胜劣汰的进化，优化出各种形态、构型、结构和材料，展现出多种多样的功能特征，成为对生存坏境具有最佳适应性和高度协调性的系统。自然界中生物所蕴含的奥妙吸引着人类不断的探索、学习和模仿，以求解决人类生产生活中遇到的各种问题，使得人类社会向更高方向和更深层次迈进。自然界为我们提供了大量的超疏水、自清洁的动植物表面实例,如荷叶、水稻叶、水印腿、蛾的翅膀、鸟类的羽毛等表面。这种结构表面具有超疏水非浸润、自清洁、防粘附的功能，除此之外还有隐身、减阻、降噪等功能。随着现代材料技术和测试检测技术的发展，科学家们发现自然界的这些动植物具有超疏水和自清洁功能，当污染物及水附着在其表面上很容易滑落达到自清洁的目的，而要清洗同样的表面则需要耗费大量的人力和物力。因此在金属材料上制备出超疏水表面得到越来越多的关注，人们渴望将超疏水性能应用于工业生产，尤其是在锌合金表面上制备出超疏水的性能。通常规定，将水滴在表面的接触角CA大于90°称为疏水表面，当接触角CA大于150°、滚动角TA小于10°的表面称为超疏水表面。

锌合金铸造性能好，可以压铸形状复杂、薄壁的精密件，其零件表面可以进行各种装饰加工，如电镀、涂漆、阳极氧化、着色、抛光等，已经被广泛的应用在船舶工业、汽车工业、桥梁铁路等领域中。但是锌合金抗蚀性差，易导致铸件老化而发生变形，甚至破裂，所以每年腐蚀造成锌合金的损失占年产量的10-20％，因此锌合金的防腐蚀就显得尤为重要。超疏水自清洁概念为锌合金基体的耐腐蚀处理提供了新的思路。用激光技术加工锌合金表面，使锌合金表面形成耐摩擦防腐蚀的超疏水表面，具有非常大的应用前景。

金属材料的浸润性是金属表面很重要的一个特征，材料的微观结构以及组成成分共同影响这材料表面的浸润性。在金属材料上制备出超疏水的方法有很多，典型的方法有：阳极氧化法、化学药水腐蚀法、电化学刻蚀+化学腐蚀法、激光刻蚀+化学腐蚀法。阳极氧化法就是将多孔氧化铝凝胶浸入沸水当中，然后将升华的材料和铝石或者硅石混合，为了有效地获得超疏水表面，还需要用低表面能物质对表面进行必要的修饰，加工的效率并不高。而其他制备方法大多需要特殊的设备或者苛刻加工条件及不可或缺的昂贵、高污染的化学药剂，通过将样品泡置在化学试剂中，使其表面形成凹坑状微结构。这些方法对环境的污染较大，操作工艺复杂。针对在锌合金材料上制备出超疏水表面，将使用一种无化学药水、无污染操作简单的激光加工法，在材料表面形态高度一致的微结构上改善锌合金表面形貌，实现材料表面超疏水自清洁的要求，对于提高效率、节能、保护环境等都具有重要意义。申请号为201310079939.7的专利公开了一种铝合金仿生超疏水表面的制备方法，首先以无水乙醇清洗铝合金，然后在铝合金表面进行激光加工，在试样表面加工出无数微尺度的弹坑状结构，再将试样浸入化学刻蚀溶液中，使试样表面的形貌特征发生改变，但该方法未完全突破传统化学蚀刻的表面处理工艺，采用激光加工工艺后还进一步利用了化学刻蚀，且将经过化学刻蚀后的铝合金试样放入含有DTS的甲苯溶液中进行修饰，在其表面逐渐形成低表面能的薄膜，该处理工艺复杂，且使用了高毒致癌物质甲苯，容易造成环境污染。申请号为201410657627.4的专利公开了一种超疏水高粘附金属表面及其制备方法，通过高功率皮秒或飞秒激光在金属表面制备类玫瑰花表面微观结构的周期性微纳米结构，再通过低自由能物质的表面修饰，实现了超疏水高粘附金属表面的制备，该方法采用低表面能物质对表面进行必要的修饰，加工效率低；申请号为200910183588.8的专利公开了一种仿生金属超润湿跨尺度结构设计方法与制备方法，该方法通过复杂的超亲水理论设计，将待处理样品置于高真空室中，分别在不同角度下进行两次扫描，最终获得接近自然生物表面形貌的跨尺度微结构，但是该方法需严格控制各项工艺参数，处理成本过高，完全不适合工业化大规模生产。

综上所述，探索一种具有简单、快捷、成本低、加工效率高的超疏水耐腐蚀的锌合金基体表面制备方法，是一项既有理论价值又有现实应用价值的技术工作，这项技术发明甚至有可能给超疏水耐腐蚀自清洁这个领域带来颠覆性的变化。

发明内容