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激光加工结合自组装制备铝合金超疏水表面

2015/12/31    来源:互联网    作者:李杰  刘玉德  高东明  黄雅婷  张会臣      
关键字:激光加工  自组装制备  超疏水表面  
文章通过激光加工在铝合金表面构造出具有规则结构的微米级纹理结构,再利用5种有机硅烷试剂分别对该表面进行修饰改性,以期制备得到超疏水表面。

1 前言

    自然界中的生物经亿万年的进化,其表面结构与特定功能已达到令人称奇的完美程度。学习和模仿这些功能一直是人类不断发展与进步的源泉。某些动植物表面具有的微纳米结构赋予其特殊的润湿性:如具有自清洁特性的荷叶、蝉翼表面;具有超疏水高黏附性能的壁虎脚趾、玫瑰花瓣和花生叶片表面;具有各向差异的超疏水水稻叶面、蝴蝶翅膀;具有“水上溜冰者”美誉的水黾的腿部。受自然界这些特殊润湿性生物表面的启发,国内外许多学者开展了仿生研究并成功制备出一系列超疏水材料,引起人们的极大关注。

    铝及其合金具有比强度高、易于加工、性能稳定、导电性好等优异的力学性能和理化特性,广泛应用于航空、交通、通讯和生物医药等领域。如将超疏水铝合金材料应用于船舶、舰艇的船体和管道内壁的建造,依靠超疏水表面减阻防腐特性可提高船舶、舰艇的航速和防腐性能;将铝制雷达、电力传输线等户外设备进行表面超疏水化处理,通过改善其表面抗露雪霜冰等性能,可有效提高设备抗击自然灾害的能力,提高户外设备的可靠性;此外,超疏水铝合金在微/纳米电子机械系统等领域也有广泛应用。因此,对铝合金进行超疏水改性研究具有重要意义。

    本研究从仿生学角度出发,通过构建类似荷叶表面的微米级粗糙结构,实现铝合金基底超疏水表面的制备。先利用精密可控的激光对铝合金基底进行微米级纹理结构的加工,再利用全氟硅烷进行表面修饰,制备得到铝合金超疏水表面。该研究为铝合金基超疏水表面的获得提供技术支持。

2 实验

    2.1 实验材料

    实验使用基底材料为铝合金5083,其组分(质量分数)见表1。研究中使用的成膜有机硅烷有5种,分别是:全氟葵烷基三氯硅烷(分子式为CF3(CF2)2(CH2)2S1Cl3,1H,1H,2H,2H-Perfluorodecyltrichlorosilane,简称FDTS),纯度为97%;全氟辛烷基三氯硅烷,(分子式为CF3(CF2),(CH2)2S1Cl3,1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltrichlorosilane,简称FOTS),纯度为97%;三氯十八硅烷(分子式为CH3(CH2)17S1Cl3,Octadecyltri chlorosilane,简称OTS),纯度为97%;3-巯基丙基三甲氧基硅烷(分子式为(CH3O)3S1(CH2)3SH,(3-Mercap-topropyl)-trimethoxysilane,简称MPS),纯度为97%;3一胺基丙基三甲氧基硅烷((CH3O)3Si(CH2)3NH2,(3-Aminopropyl)trimethoxy-silane,简称APS),纯度为97%,均购自加拿大Fluka公司。溶剂为异辛烷,纯度为99%。

    其余试剂:丙酮、乙醇,均为分析纯。

表1 铝合金的组分

铝合金的组分

    2.2 激光加工

    将实验用铝合金板切割成20mm×20 mm大小,经240#、600#、1000#砂纸研磨处理,其后依次放入丙酮、乙醇和纯水中超声清洗2min,去除表面杂质,用高纯氮气吹干,然后进行激光表面纹理加工。采用武汉华工激光工程有限责任公司生产的HGL-LSY50F激光加工设备,工作电压为220V,激光波长1064nm,焦距f=160mm,设置调制频率为3.14kHz,输出电流为11.5A。激光加工的最大功率为50W,激光照射光斑直径为20μm,选用光栅直径为1.6mm,激光加工的光照时间为2ms,加工方式为方形网格直线加工,直线之间的加工间距为50μm。

    2.3 有机硅烷修饰改性

    有机硅烷修饰改性处理过程如下:①将试样在丙酮、乙醇、纯水中依次超声清洗3mm,以清除激光加工后试样的表面杂质;②将清洗后的铝合金试样经30min紫外照射,使其表面获得充分羟基化;③在试管中滴入1mL异辛烷,用微注射器分别抽取15μL有机硅烷(FDTS/FOTS/OTS/MPS/APS)加入异辛烷溶剂中,配制成5种反应溶液;④将羟基化后的铝合金试样浸入到反应溶液中,真空条件下沉积60min后取出,依次在丙酮、乙醇、纯水中超声清洗,用高纯N2吹干;⑤将制备好的试样放置到90℃恒温状态下的真空干燥箱中固化60min。

    2.4 形貌表征与接触角测量

    采用Phillips XL30扫描电子显微镜和VHX-600E型超景深三维显微镜对激光加工后的铝合金表面微米级纹理结构进行表征;用德国生产的Easy-Drop型接触角测量仪测定去离子水在铝合金试样表面的接触角。

3 结果与讨论

    3.1 形貌结构

    激光加工铝合金试样后其表面纹理的形貌结构见图1。由图1可见,铝合金试样经激光加工后形成了规则的表面结构(图1b)。由于激光的光照作用,使试样表面光照区域的材料被灼烧、去除,直线与直线相交的位置形成了深度较大的凹坑,这是由于激光光照在此处叠加,能量在此处得到聚集,造成材料的去除量增大,从而产生了规则排布的凹坑,这些凹坑的尺寸都在几十个微米左右;而受激光照射影响较小的区域则形成了明显的突起。这是由于在激光加工试样的过程中,材料表面不断被激光所发出的高温能量熔化,同时由于激光光束的运动使照射区域逐渐移动,在热扩散作用下,经光束照射后的材料表面温度迅速降低,从而使液体金属重新凝固,因而在非照射区域形成了凝固突起物。在这些突起物上附着形状不一,呈柱状、球状、圆盘状的突起物,其尺寸从几微米到十几微米不等(图1a)。

激光加工后合金试样的表面形貌

图1 激光加工后合金试样的表面形貌

责任编辑:程玥
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