[发明专利]一种仿生耦合集水铝合金防冰表面的制备方法

说明书

本发明涉及一种仿生耦合集水铝合金防冰表面的制备方法，其受沙漠甲虫背部集水结构的启发，采用疏水区与亲水区相耦合的方法，制备出具有仿生耦合集水铝合金表面。该方法首先以激光烧蚀的加工工艺，在铝合金表面制备具有一定深度的微柱形阵列结构；再将制备好的PDMS与超疏水高岭土颗粒混合物旋涂于微柱形阵列结构之中，放置于100℃干燥箱中加热120min；最后再次对表面进行激光烧蚀处理，从而制备出这种仿生耦合集水铝合金防冰表面。本发明的制备方法操作简单、实验参数可控且成本低廉，此方法可用于制造仿生耦合集水铝合金防冰表面，使表面获得较好的防冰性能、良好的机械稳定性和抗老化能。

技术领域

本发明属于金属材料表面改性技术领域，具体涉及一种仿生耦合集水铝合金防冰表面的制备方法。

背景技术

表面冻粘现象一直以来都严重影响着社会生产和人民生活的各个领域如交通、农业、电力、水利、航空等，对生产效率、可靠性和安全性造成了严重威胁。目前，对于冻黏现象的研究主要是基于界面粘附理论和简单的经验式防治技术，主要包括：热力除冰法、机械除冰法等被动式除冰的方法，但是此类方法同样带来了很多问题，如能耗高、危险性大且会造成表面损坏及加速设备老化等。因此，基于冻粘机理和规律进行新型的防止冰覆技术的研究，已成为国内外专家学者亟待解决的重要课题。

研究发现，主动式防冰覆方法可以从根本上实现防止冰覆，避免了被动式除冰方法带来的诸多问题。主动式防冰覆方法的关键在于防止液态水滴在材料表面粘附和凝结，以及避免液态水在材料表面由液态水向固态水的转换过程。

受到自然界中许多植物和昆虫体表特殊的疏水特性的启发，如荷叶、玫瑰花瓣、万寿菊花瓣、稻叶、水黾、蝴蝶翅膀和蚊子眼睛等，很多国内外的专家对这种特殊的表面性质进行了深入研究。研究发现，在普通金属材料表面制备出这种仿生超疏水材料，并将其应用于实际工程中，可以在不同材料表面实现主动式防冰覆的效果。目前，研究者们已经开发出多种方法研制新型超疏水防冰表面，如化学刻蚀法、机械方法以及有机、无机物涂层等制备方法。通过调节实验过程，可以实现对表面结构及疏水性的调节，然而，利用这些方法制备的超疏水表面并不代表具有较好的防冰性能。且大量实验表明，随着时间的推移，微小的水滴会在微纳米间隙中钉扎、集聚，最终导致疏水表面失去防冰能力。因此，如何应对超疏水防冰表面在长时间暴露于过饱和湿度条件下，微小的水滴会在微纳米间隙中钉扎、集聚，最终导致疏水表面失去防冰能力的问题亟待解决。

发明内容

本发明的目的就在于针对上述的不足，提供一种仿生耦合集水铝合金防冰表面的制备方法，其受启发于沙漠甲虫背部的集水特性，制备出的防冰表面在过饱和湿度的条件下，钉扎于微纳米间隙的微小水滴在毛细力的作用下，向凝结位点进行聚集，使其更易于依靠重力、风力、离心力等外力作用下脱离结冰表面，从而更有效的实现主动防冰的目的。

本发明仿照天然生物体表面微观结构的特征，采用激光雕刻技术在铝合金表面制备出微柱形阵列结构，而后在微柱形阵列结构表面刷涂PDMS与氟化高岭土颗粒混合涂料，将刷涂后经表面高温干燥处理后，即可在铝合金表面形成致密均匀的涂层，再次采用激光雕刻技术加工表面，制备出具有集水性能的表面，改善了铝合金表面的稳定性和耐久性，具有广泛的应用前景。

一种仿生耦合集水铝合金防冰表面的制备方法，包括以下步骤：

A、对铝合金表面进行预处理：铝合金表面依次用800#，1500#，2000#砂纸打磨去除表面氧化层，将打磨后的铝合金表面依次放置于丙酮、无水乙醇和蒸馏水中超声波清洗，除去表面的污垢；

B、表面微纳米层级结构制备：利用激光雕刻机对预处理后的铝合金表面进行激光烧蚀处理，制备具有微观结构的铝合金表面，微观表面的参数为直径0.5mm-1.5mm圆柱形阵列结构，微柱直径与相邻两个微柱间间距比为1:3-6:1，微柱高度为0.1mm-0.5mm；

随后，再次将具有微结构的铝合金表面依次放置于丙酮、无水乙醇和蒸馏水中超声波清洗，除去表面的污垢，干燥处理10min；