專利名稱：具有一種減少粘附性的微結構的表面及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種具有減少粘附性的微結構的表面及以電化學制備這種表面的方法。
上述類型的減少粘附性的表面例如作為所謂的蓮花-效應表面應用，并例如描述于DE 10015855A1中。按此文獻，這類表面的特征為通過由溶液中淀積層而得的微結構，但也可通過電化學淀積而得。由此模擬看出似蓮花葉片的效應，按此產生的微結構化降低了對水和污物顆粒的粘附，為此目的該微結構化必需具有半徑為5-100μm的凸凹狀。由此防止了相應的表面的污染。此外還可例如避免石灰淀積。
本發明的目的在于提供一種具有減少粘附性的微結構的表面及這種表面的制備方法，該減少粘附的作用應相當明顯。
本發明的目的是通過一種方法實現的，在該方法中通過電化學脈沖電鍍產生該表面，其中是通過反向脈沖電鍍產生重疊微結構的納米結構。在本發明中，通過納米結構重疊微結構是通過在具有微米范圍(微觀結構)的表面狀態的彎曲半徑的表面構形上產生一種其彎曲半徑宜為幾納米到100納米(納米結構)的表面構形而實現的。在微觀結構上形成納米結構是通過使用寬度為毫秒范圍的電流脈沖的反向脈沖電鍍實現的。按所選用的工藝參數如脈沖寬度和沉積的電流密度，該微觀結構同時或分別產生。
該表面的納米結構與微觀結構的共同作用有利地改進了在該表面上減少物質粘附的效果。由此有利地改進了該表面的蓮花效應。
由US 5853897已知，用脈沖電鍍可制備具有粗糙表面的電鍍層，但按該文獻所制備的層僅可在光學中應用，因為在其光的寬的波線光譜內具有明顯的吸收光的特性。對此所謂的樹枝狀的微結構的形成已足夠了，沒有必要在其上重疊納米結構。
在用于制備納米結構的工藝步驟中，該脈沖寬度優選小于500ms。因此在該工藝步驟中有利的淀積參數可依待產生的表面調節，由此該產生的納米結構在其尺寸上足以與該產生的微觀結構相區別。
在反向脈沖電鍍時的電流脈沖是通過該淀積電流的各反向極性而產生的，以使在表面上電荷遷移時可有利地實現強的與時間相關的沉降。各電流脈沖有利的寬度為10-250毫秒。已表明，在所述參數下表面的納米結構特別明顯。
如果在反向脈沖電鍍時該陰極脈沖寬度至少為陽極脈沖寬度的三倍是特別有利的。本發明中的陰極脈沖意指在表面產生淀積的脈沖，而陽極脈沖意指引起表面溶解的脈沖。對給定的陰極脈沖和陽極脈沖間的比例，已表明微觀結構的高密度有利于納米結構的針形基元的產生，這對待產生的蓮花效應是有利的。
另一有利的可能性在于，在反向脈沖電鍍時，使陰極脈沖的電流密度大于陽極脈沖的電流密度。通過這措施陰極脈的淀積速率高于陽極脈沖的侵蝕率，因此有利于產生納米結構化的層。當然改變脈沖持續時間的措施可與改變電流密度相互組合。利用調節所述參數對待淀積的材料總會找出其最佳值。
按本方法的方案，在用于制備微觀結構的預定的工藝步驟中，脈沖寬度至少為1秒。利用秒范圍的脈沖寬度可在合適的時間用由電化學方法制備該表面所需的微觀結構，而這在用于產生納米結構的工藝步驟中不會產生或不足以明顯產生。
按本方法的另一方案，可制備還具有與微觀結構重疊的宏觀結構的表面。該宏觀結構可用電化學法或以其它方法如機械方法制備。這里宏觀結構意指該表面的構形，該基本結構組成部分的幾何尺寸比該微觀結構的尺寸大至少一個數量級。在波紋狀宏觀結構中例如其意指該波紋的半徑，在相應的程度下其大于該微結構的凸或凹的半徑。該宏觀結構還可提高該表面減少粘附的特性的優點。此外，該表面的宏觀結構還可有利于其它功能如改進該表面的流動特性。
本發明的表面通過微結構上重疊經脈沖電鍍所產生的納米結構而達到了所述的目的。用本發明的表面結構可實現所述的優點，特別是改進減少該表面粘附性的特性。
按該表面的一個特別實施方案，該表面是超疏水性的。這意指水或其它親水物質的吸附性大大下降。該超疏水特性特別使該表面對水有差的濕潤性，以致在該表面上存在的水形成單個的液滴，由于對表面的接觸角大于140°，該液滴易于滴落，并也可將在表面上存在的污物顆粒一起去除。因此具有超疏水特性的表面特別好地適于形成以蓮花-效應-表面形式的表面。
本發明的另一些詳情將按
。在各附圖中相同的或相應的圖部分用相同的標號表示，僅在圖之間存在差別時才多次說明。
附圖簡介圖1示出以截面表示的本發明表面的實施例的示意性結構，圖2示出以截面表示的作為本發明表面實施例的蓮花-效應-表面的狀態，圖3示出圖2的蓮花-效應-表面的透視圖。
圖1中示出具有減少粘附特性的表面的物體11。該表面12是通過以微觀結構13和納米結構14重疊該宏觀結構12的圖示描述。該微觀結構產生一種表面的波紋性。該微觀結構是通過在波紋狀的宏觀結構12上的半球形的凸起而表明的。該納米結構14在圖1中以粒結表示，其存在于半球形的凸起(微觀結構)上以及在位于凸起之間的宏觀結構12的部分，該宏觀結構12部分構成微觀結構13的凹谷。
通過重疊宏觀結構12、微觀結構13和納米結構14所產生的表面的減粘附性的特性可根據的水滴15來說明，其在該表面上形成水珠。一方面通過該表面的小的可濕潤性和另一方面通過該水滴的表面張力在水滴15和表面之間形成較大的接觸角γ，該接觸角是通過平行于表面走向的角邊16a和在水滴表面上形成正切的角邊16b確定的，該正切是通過該水滴15與表面(更準確而言與角邊16a)的接觸面的邊緣而引出的。在圖1中示出大于140°的接觸角γ，以致使該圖示表面是超疏水表面。
在一個實驗范圍中，借助于反向脈沖電鍍通過在電拋光的表面上淀積銅而產生蓮花-效應-表面。在此選用下列工藝參數。
在工藝步驟中產生納米結構脈沖寬(反向脈沖)在陰極為10A/dm2的情況下為240ms，在陽極為8A/dm2的情況下為40ms，電解質含50g/l的Cu，20g/l的游離氰化物，5g/l的KOH。
該由電化學產生的表面在下面用SPM(掃插探針顯微鏡-也稱為AFM或原子力顯微鏡)進行檢驗。用SPM可測定和顯示直到納米范圍的表面結構。該所產生的表面的片段作為SPM的測量結果以截面示于圖2，其外形是放大的。關于零線17在圖2中引入波紋曲線18，其明顯重疊在表面結構的宏觀結構。該微觀結構13由于放大而成為一種相繼的針形凸端19和凹谷20。此外，在某些區域可識別出納米結構14，該納米結構14由凸和凹的窄的相繼成形表示，其在圖2中的比例下不再可分辨出，因此僅作為該表面外形的外形線的增稠來識別。
更詳細的情況可參閱圖3a，其示出該銅表面的SPM照相的透視圖。其選出100×100μm的正方區作為片段，其可明顯看出確定微觀結構13的針形凸端19。該產生的圖像使觀察者想到“針葉林”，其中在“針葉樹”(凸端19)之間的間隔形成凹谷20。圖3a的表面也是以放大表示的，以表明該微觀結構13的凸端19和凹谷20。
如由表示圖3a的放大段的圖3b的表面透視圖還可看到納米結構14對微觀結構13的重疊。在圖3b的稍放大的圖示中，該凸端19和凹谷20也顯示出表面的波紋性(但由于另一種比例不可與圖2的波紋性相混淆)。此外，在這種波紋上的重疊表征該表面的納米結構的最小的凸端19n和凹谷20n。這也想到圖3a所解釋的“針葉林”圖案的結構，但其中其幾何尺寸約小兩個數量級，所以在圖3a所選用的比例條件下是完全看不出的。
為說明大小比例，在圖2和3中各用括號表示出宏觀結構12、微觀結構13和納米結構14。該括號各僅包括有關結構的含凸端和凹谷的一段，以使在圖中該括號可按比例相互比較該結構的數量級。在所示的實施例中，對水滴測得的接觸角為152°。該所顯示的起蓮花-效應作用的銅層的超疏水特性通過至少該微結構13和納米結構14共同作用來實現，宏觀結構12的重疊仍改進該所觀察到的效應。通過選擇合適的工藝參數可對不同的層材料(例如也在成功地試驗過銀層)和對具有不同濕潤性的液體產生這類蓮花-效應-表面。
權利要求
1.一種用于電化學制備具有減少粘附性的微觀結構(13)的方法，其特征在于，該表面經電化學脈沖電鍍制備，其中通過反向脈沖電鍍產生重疊該微觀結構(13)的納米結構(14)。
2.權利要求1的方法，其特征在于，在用于制備該納米結構的工藝步驟中的脈沖寬度小于500ms。
3.上述權利要求之一的方法，其特征在于，在反向脈沖電鍍中，該陰極脈沖的寬度至少是該陽極脈沖寬度的三倍。
4.上述權利要求之一的方法，其特征在于，在反向脈沖電鍍中，該陰極脈沖比陽極脈沖有更高的電流密度。
5.上述權利要求之一的方法，其特征在于，在預定的制造微結構的工藝步驟中，該脈沖寬度至少為1秒。
6.上述權利要求之一的方法，其特征在于，還制備具有重疊在該微觀結構(13)的宏觀結構(12)的表面。
7.一種具有減少粘附性的微觀結構(13)的表面，其特征在于，通過脈沖電鍍產生的納米結構(14)與該微觀結構(13)重疊。
8.權利要求7的表面，其特征在于，該表面是超疏水性的。
9.權利要求7或8之一的表面，其特征在于，宏觀結構(12)與該微觀結構(13)和納米結構(14)重疊。
全文摘要
本發明涉及一種具有減少粘附性的微結構的表面和制備該微結構表面的方法。這種減少粘附性的微結構是已知的，例如使用本方法構成所謂蓮花效應的自－凈化表面。按本發明，該表面是以電化學法借助于反向脈沖電鍍產生，其中首先產生已知的微結構，并同時或在其后步驟中產生重疊其上的納米結構。為實現這點，例如在反向脈沖電鍍時所使用的電流脈沖的脈沖寬度為毫秒范圍，并且脈沖寬度比(陽極∶陰極)為1∶3。已產生的由凸端(19)和凹谷(20)組成的微結構由具有屬納米結構的較小尺寸的凸端(19n)和凹谷(20n)所重疊，因此大大改進了由該表面所達到的蓮花效應。
文檔編號C25D5/18GK101048537SQ200580036799
公開日2007年10月3日 申請日期2005年8月8日 優先權日2004年8月26日
發明者克里斯琴·多伊, 厄休斯·克魯格, 曼紐拉·施奈德 申請人:西門子公司