[发明专利]一种金属表面自清洁超疏水微纳双微观结构的制备方法

说明书

本发明提供了一种金属表面自清洁超疏水微纳双微观结构的制备方法，属于金属材料表面改性技术领域。其技术方案为：包括以下步骤：(1)镁合金表面喷砂处理；(2)激光刻蚀处理；(3)阳极氧化处理。本发明的有益效果为：本发明通过激光表面刻蚀技术与阳极氧化处理相耦合的方法，在镁合金表面制备出一种微观尺度凹凸粗糙与沟槽相互排列的特殊结构。该复合制备方法所获得的镁合金表面具有良好的超疏水能力、低粘附性和自清洁能力，同时显著提高了其耐腐蚀性能，扩展了镁合金的应用领域。

技术领域

本发明涉及金属材料表面改性技术领域，尤其涉及一种金属表面自清洁超疏水微纳双微观结构的制备方法。

背景技术

在实用性工程材料中，镁及其镁合金具有密度小、比刚度和比强度高、切削性能好、铸造性能好、优良的减震性能、阻尼性好等诸多优点，因此被誉为“21世纪绿色工程最具有开发和应用潜力的金属结构材料”。镁是自然界中分布最广的元素之一，我国镁资源十分丰富，位居世界第一。镁及其合金在电子设备、生物应用、汽车工业及航空航天等领域具有广阔的应用前景。但是，镁合金的性质十分活泼，耐腐蚀性能较差，容易与环境的其他物质发生反应，特别是在海洋气氛和潮湿的空气中非常容易被腐蚀，极大的限制了其在各个领域中的广泛应用。现有研究表明，适当的表面改性处理能够有效地解决金属材料的腐蚀问题。超疏水结构可以有效地隔离镁合金基体与腐蚀介质的接触，改善镁合金表面的润湿性，从而大幅度提高其耐腐蚀性能。因此，对镁合金进行超疏水结构表面研究，对改善其耐腐蚀性能、扩大应用领域有着十分重要的意义。

近年来，在自然界动植物表面有趣的超疏水现象的启发下，越来越多的国内外研究者致力于金属材料表面超疏水膜层的制备与研究。超疏水膜层的制备一般从两方面着手：第一，在金属材料表面构造微观粗糙结构，该结构能够将少量的空气蕴藏在结构中，被夹杂的空气层可以有效地隔离腐蚀介质与镁合金基体接触；第二，使用低表面能的物质对金属材料表面的微观结构进行化学修饰，来降低其表面的自由能制备出超疏水结构表面。在镁合金制备超疏水表面能够有效地阻隔腐蚀介质和金属表面的润湿，使镁合金表面的腐蚀速率大大降低，能够有效地改善镁合金的耐腐蚀性能。

从目前已有的研究情况看，国内外关于金属材料超疏水表面的制备方法有很多，如溶胶-凝胶法、模板法、静电纺丝法、刻蚀法、气相沉积法等。近期研究报道，郑顺丽等采用阳极氧化与十四酸修饰相结合的方式，在铝表面成功制备出了接触角为(155.2±0.5)°的超疏水涂层，且铝基超疏水涂层比铝基底的耐腐蚀性能显著增强(郑顺丽等.材料工程，2017,45(10):71-78)。李晶等在铝合金基体上采用了电刷镀处理与激光微加工相耦合的方法，获得了具有沟槽与凸包共同分布的特殊结构表面，试样表面在不同温度下均表现出较好的稳定性，接触角高达156°，耐腐蚀性能也显著提高(李晶等.中国机械工程，2017,28(1):82-92)。徐喆等基于激光加工和自组装技术在铝镁合金表面成功制备出超疏水结构，表面接触角高达156°，超疏水效果良好(徐喆等.中国有色金属学报，2012,22(7):1855-1862)。沈一洲等采用喷砂—阳极氧化法和FAS—17修饰成功在Ti6Al4V基体表面制备出超疏水结构，其接触角高达160°左右，并且具有较高的稳定性。中国专利(202011274245.5)公开的是在镁合金表面通过激光加工刻蚀出方格结构后，用氟硅烷的乙醇溶液进行化学修饰制备超疏水涂层的方法，成功在镁合金表面制备出超疏水结构，其静态接触角不小于161°，耐腐蚀性能显著增强。中国专利(201010520898.7)公开的是在镁合金表面先采用硫酸刻蚀处理构造一级微细结构，再通过阳极氧化法同时进行二级结构构造和低表面能修饰，成功获得具有低粘附性、良好的超疏水特性表面。

但是，上述制备方法大多数都需要复杂而且十分昂贵的设备，制备成本很高，不利于大规模的制备生产。同时，在制备过程中所使用的试剂大多是对环境有害的酸碱溶液或者有毒的化学制品等。而且制备的超疏水表面所得的粗糙结构稳定性较差，不耐磨损，导致所得的超疏水表面不能够满足实际应用的需求。

如何解决上述技术问题为本发明面临的课题。

发明内容