激光打標機制備鋁合金超疏水功能表面的方法與流程

本發明屬于金屬基微結構功能表面制備技術領域，尤其涉及一種激光打標機制備鋁合金超疏水功能表面的方法。

背景技術：

鋁及其合金是一種非常重要的工程金屬材料，因其具有質量輕、比強度高、易加工成型、耐腐蝕性優的特點，廣泛應用于汽車、船舶、建筑、航空航天及機械制造等工業領域。但對于海上運輸行業來說，船舶等海上運輸工具長期工作在苛刻的海水介質和海洋環境中，由于氯離子等還原性離子的存在.易造成鋁及其合金在海水中的鈍態不穩定性，使材料的抗腐蝕性降低；同時船體長期處于海水中易造成海洋生物粘附，增加其行駛阻力，使船只的使用和維護成本不斷增加。如何尋找一種行之有效、經濟簡便的方法來提高金屬材料在海水中的使用性能，成為研究人員亟待解決的問題。

20世紀80年代，德國波恩大學的植物學家Barthlott和Neihuis通過對荷葉表面結構的觀察發現其表面存在著的微米級凸起和蠟狀組織結構，使得荷葉具有超疏水性(即水滴落在葉子表面會自動聚集成水珠滾落下來)引起了世界范圍內的極大關注。經研究發現超疏水表面存在著諸多優點，若將超疏水表面作用于金屬材料上可起到自清潔、抗腐蝕、滑移減阻、減小摩擦、增強光的吸收率等效果。例如超疏水表面用于石油運輸管道中，可防止管道壁粘滯減小運輸過程中的損耗及能量消耗；超疏水表面用于光學儀器、傳感器以及太陽能轉換裝置等部件中，可有效地減少對光的反射，最大限度的吸收入射光；超疏水材料用于航舶等行業，如在船體涂上一層超疏水薄膜，可大大降低船只行進過程中與水的摩擦，節省燃油；超疏水材料用于生物醫用組織如人工血管、血管支架、人工心臟瓣膜等結構表面上，可改善生物的血液相容性，減少血栓形成的幾率。因此用激光打標機作用于鋁合金表面，制備出具有超疏水性的功能微結構表面，可提高鋁合的耐腐蝕性、滑移減阻性、耐磨擦性。

目前金屬基超疏水功能表面的制備方法主要有化學刻蝕法、陽極氧化法、氣相沉積法、激光燒蝕法等。激光刻蝕技術因其適應性廣，加工質量穩定、加工尺寸可控而受到人們的廣泛關注。如申請號為200810019368.7的專利公開了一種金屬基超疏水性微結構表面的激光制備方法，采用氧化法或覆膜法由飛秒激光于真空環境下制備出金屬基微結構表面，可在不經任何表面處理的情況下實現材料表面的超疏水性。申請號為200910021923.4的專利公開了一種飛秒激光制備金屬材料表面超疏水微結構的方法，該方法利用飛秒激光輻射場在金屬靶材料表面上誘導產生周期為50nm-50μm、接觸角為150°—175°不同尺度和圖案的金屬微納米結構超疏水表面。申請號為201510279045.1的專利公開了一種利用超短脈沖激光制備鋁合金超疏水自清潔表面的方法，該方法是在經預處理的鋁合金樣片表面利用超短脈沖激光加工出無數微結構，之后放入電熱干燥箱內烘烤得到表面具有微米級乳突狀或多孔狀結構的鋁合金超疏水表面。

以上所述的超疏水表面的制備方法均能獲得較好的超疏水效果，但也存在一些問題，如采用飛秒激光器使加工成本增高，有的對工作環境要求苛刻(需在真空環境加工)不適合工業化生產。如何使用簡單易行的方法制備出穩定的超疏水功能表面，滿足其在工業方面的應用顯得尤為重要。

技術實現要素：

本發明的目的是克服現有技術存在的飛秒激光器成本高、對工作環境要求苛刻的缺陷，提供一種激光打標機制備鋁合金超疏水功能表面的方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種激光打標機制備鋁合金超疏水功能表面的方法，包括如下步驟：

(1)預處理：將鋁合金樣品打磨、超聲清洗并烘干后，得到潔凈的鋁合金樣品；

(2)激光微加工：采用紅外激光打標機對樣品表面進行激光掃面處理；

(3)硅烷化處理：將經激光微加工后的樣品進行超聲波清洗；將清洗后的樣品放入十六烷基三甲基硅烷的乙醇溶液中浸泡，使樣品表面形成一層超疏水膜，經沖洗后烘干，即得到功能性超疏水表面。

進一步地，步驟(1)中所述的打磨操作為，將鋁合金樣片依次經過400#、1000#、3000#砂紙打磨，所述超聲清洗是將經打磨后的樣品依次用無水乙醇和蒸餾水進行超聲波清洗，清洗溫度為40-60℃，清洗20-30min，所述烘干條件為在60-80℃的恒溫烘箱內干燥5-10min。

作為優選，步驟(2)所述的激光掃描處理的工藝參數為，激光波長為1064nm，最大激光輸出功率為20w、激光頻率為20kHz、處理時使用的電流密度為11-14A。

作為優選，步驟(2)所述的激光掃面處理過程中激光的掃描速度為500-1500mm/s、單次曝光時間為2-5ms、相鄰掃描線之間的間隔為30-50μm，且單次樣品處理過程中掃描速度、單次曝光時間、相鄰掃描線之間的間隔均保持不變。

進一步地，步驟(3)所述的十六烷基三甲基硅烷的乙醇溶液中十六烷基三甲基硅烷質量百分含量為1-4％。

作為優選，步驟(3)所述浸泡時間為10-12h。

具體地，所述的紅外激光打標機包括激光器以及沿所述激光器輸出的激光束傳播方向的X軸反射鏡、Y軸反射鏡和F-θ透鏡，所述X軸反射鏡由X軸電機帶動沿X軸轉動，所述Y軸反射鏡由Y軸電機帶動沿Y軸轉動。X軸電機和Y軸電機均由計算機控制，激光束最終經F-θ透鏡將平行光束聚焦于一點后落到工件上，從而實現激光打標。

有益效果：(1)制備工藝簡單、原料易得。采用激光微加工技術和硅烷化處理技術相結合的方法，在大氣環境下即可實現鋁合金超疏水功能表面的制備。

(2)加工成本較飛秒激光器低、加工參數獨立可控。采用紅外激光打標機可通過計算機編程可實現點陣、直線、網格狀微結構的掃描；同時激光的平均功率、掃描速度、單次曝光時間、相鄰掃描線之間的間隔等工藝參數獨立可控。

(3)所制得的鋁合金超疏水功能表面具粗糙的微結構，對水的接觸角為150°左右。

(4)所制得的鋁合金超疏水功能表面有良好的抗腐蝕性、滑移減阻性，可應用于船體結構、船舶的上部結構、隔板結構等，易于實現工業應用。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

圖1激光打標機加工流程示意圖；

圖2激光打標機振鏡系統原理圖；

圖3紅外激光打標機制備得到的鋁合金超疏水功能表面微觀結構圖；

圖4紅外激光打標機制備得到的鋁合金超疏水功能表面的接觸角示意圖；

其中1.計算機，2.激光器，3.激光束，4.X軸電機，5.X軸反射鏡，6.Y軸電機，7.F-θ透鏡，8.Y軸反射鏡。

具體實施方式

圖1為激光打標機加工流程示意圖。首先通過上位機人機交互系統對激光加工參數進行設置生成打標數據；然后把打標數據傳輸到控制器上，控制器一方面控制激光器，根據打標數據設置激光的能量密度；另一方面控制振鏡掃描系統，對激光器發出的激光通過振鏡系統內的電動機運轉控制激光的傳播路徑，實現高精度打標。

圖2為激光打標機振鏡掃描系統原理圖。通過計算機1設置激光加工參數，控制激光器2輸出激光束3，將激光束入射到X軸反射鏡5和Y軸反射鏡8上，同時利用計算機1分別控制X軸電機4和Y軸電機6運轉，帶動X軸反射鏡5和Y軸反射鏡8分別沿X、Y軸轉動，通過F-θ透鏡7將平行光束聚焦于一點后落到工件上，從而實現激光打標。

為了更好的理解本發明，以下結合具體實例對本發明的技術方案做進一步詳細的介紹。下述實施例中所述實驗方法如無特殊說明均為常規方法，所述試劑和材料如無特殊說明均從商業途徑可獲得。

實施例1

本實施例的激光打標機制備鋁合金超疏水功能表面的方法，包括如下步驟：

(1)預處理：將待處理的6061鋁合金樣片依次經400^#、1000^#、3000^#砂紙打磨，經打磨處理后的樣品依次用無水乙醇和蒸餾水進行超聲波清洗，超聲溫度為40～60℃，時間為20～30min，再在60～80℃恒溫烘箱中干燥5～10min，得到潔凈的鋁合金樣品；

(2)激光微加工：采用紅外激光打標機調節好相關的工藝參數對樣品表面進行激光掃描處理；激光的波長為1064nm、最大激光輸出功率為16W、激光頻率為20kHz、加工時使用的電流密度為13A、激光孔徑為80μm，采用點陣加工單次曝光時間為5ms、相鄰掃描線之間的間隔為50μm。

(3)硅烷化處理：將經激光加工后的樣品放入超聲波清洗機內依次用無水乙醇、蒸餾水在40～60℃恒溫下超聲清洗20～30min，以清除加工飛沫；將清洗干凈的鋁合金樣品置于1％wt十六烷基三甲氧基硅烷的乙醇溶液中在室溫下浸泡10～12h,使樣品表面形成一層疏水薄膜，然后取出依次用乙醇、去離子水沖洗，再放入60～80℃恒溫烘箱中干燥20～30min，即制得所述的功能性超疏水表面。

本實例制得的鋁合金超疏水功能表面微觀結構圖如圖3所示，表面呈微米級粗糙結構。

本實例制得的鋁合金超疏水功能表面的接觸角如圖4所示，與水的接觸角為148°。

應當理解，以上所描述的具體實施例僅用于解釋本發明，并不用于限定本發明。由本發明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明的保護范圍之中。