激光打标机制备铝合金超疏水功能表面的方法与流程

本发明属于金属基微结构功能表面制备技术领域，尤其涉及一种激光打标机制备铝合金超疏水功能表面的方法。

背景技术：

铝及其合金是一种非常重要的工程金属材料，因其具有质量轻、比强度高、易加工成型、耐腐蚀性优的特点，广泛应用于汽车、船舶、建筑、航空航天及机械制造等工业领域。但对于海上运输行业来说，船舶等海上运输工具长期工作在苛刻的海水介质和海洋环境中，由于氯离子等还原性离子的存在.易造成铝及其合金在海水中的钝态不稳定性，使材料的抗腐蚀性降低；同时船体长期处于海水中易造成海洋生物粘附，增加其行驶阻力，使船只的使用和维护成本不断增加。如何寻找一种行之有效、经济简便的方法来提高金属材料在海水中的使用性能，成为研究人员亟待解决的问题。

20世纪80年代，德国波恩大学的植物学家Barthlott和Neihuis通过对荷叶表面结构的观察发现其表面存在着的微米级凸起和蜡状组织结构，使得荷叶具有超疏水性(即水滴落在叶子表面会自动聚集成水珠滚落下来)引起了世界范围内的极大关注。经研究发现超疏水表面存在着诸多优点，若将超疏水表面作用于金属材料上可起到自清洁、抗腐蚀、滑移减阻、减小摩擦、增强光的吸收率等效果。例如超疏水表面用于石油运输管道中，可防止管道壁粘滞减小运输过程中的损耗及能量消耗；超疏水表面用于光学仪器、传感器以及太阳能转换装置等部件中，可有效地减少对光的反射，最大限度的吸收入射光；超疏水材料用于航舶等行业，如在船体涂上一层超疏水薄膜，可大大降低船只行进过程中与水的摩擦，节省燃油；超疏水材料用于生物医用组织如人工血管、血管支架、人工心脏瓣膜等结构表面上，可改善生物的血液相容性，减少血栓形成的几率。因此用激光打标机作用于铝合金表面，制备出具有超疏水性的功能微结构表面，可提高铝合的耐腐蚀性、滑移减阻性、耐磨擦性。

目前金属基超疏水功能表面的制备方法主要有化学刻蚀法、阳极氧化法、气相沉积法、激光烧蚀法等。激光刻蚀技术因其适应性广，加工质量稳定、加工尺寸可控而受到人们的广泛关注。如申请号为200810019368.7的专利公开了一种金属基超疏水性微结构表面的激光制备方法，采用氧化法或覆膜法由飞秒激光于真空环境下制备出金属基微结构表面，可在不经任何表面处理的情况下实现材料表面的超疏水性。申请号为200910021923.4的专利公开了一种飞秒激光制备金属材料表面超疏水微结构的方法，该方法利用飞秒激光辐射场在金属靶材料表面上诱导产生周期为50nm-50μm、接触角为150°—175°不同尺度和图案的金属微纳米结构超疏水表面。申请号为201510279045.1的专利公开了一种利用超短脉冲激光制备铝合金超疏水自清洁表面的方法，该方法是在经预处理的铝合金样片表面利用超短脉冲激光加工出无数微结构，之后放入电热干燥箱内烘烤得到表面具有微米级乳突状或多孔状结构的铝合金超疏水表面。

以上所述的超疏水表面的制备方法均能获得较好的超疏水效果，但也存在一些问题，如采用飞秒激光器使加工成本增高，有的对工作环境要求苛刻(需在真空环境加工)不适合工业化生产。如何使用简单易行的方法制备出稳定的超疏水功能表面，满足其在工业方面的应用显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术存在的飞秒激光器成本高、对工作环境要求苛刻的缺陷，提供一种激光打标机制备铝合金超疏水功能表面的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种激光打标机制备铝合金超疏水功能表面的方法，包括如下步骤：

(1)预处理：将铝合金样品打磨、超声清洗并烘干后，得到洁净的铝合金样品；

(2)激光微加工：采用红外激光打标机对样品表面进行激光扫面处理；

(3)硅烷化处理：将经激光微加工后的样品进行超声波清洗；将清洗后的样品放入十六烷基三甲基硅烷的乙醇溶液中浸泡，使样品表面形成一层超疏水膜，经冲洗后烘干，即得到功能性超疏水表面。

进一步地，步骤(1)中所述的打磨操作为，将铝合金样片依次经过400#、1000#、3000#砂纸打磨，所述超声清洗是将经打磨后的样品依次用无水乙醇和蒸馏水进行超声波清洗，清洗温度为40-60℃，清洗20-30min，所述烘干条件为在60-80℃的恒温烘箱内干燥5-10min。

作为优选，步骤(2)所述的激光扫描处理的工艺参数为，激光波长为1064nm，最大激光输出功率为20w、激光频率为20kHz、处理时使用的电流密度为11-14A。

作为优选，步骤(2)所述的激光扫面处理过程中激光的扫描速度为500-1500mm/s、单次曝光时间为2-5ms、相邻扫描线之间的间隔为30-50μm，且单次样品处理过程中扫描速度、单次曝光时间、相邻扫描线之间的间隔均保持不变。

进一步地，步骤(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质量百分含量为1-4％。

作为优选，步骤(3)所述浸泡时间为10-12h。

具体地，所述的红外激光打标机包括激光器以及沿所述激光器输出的激光束传播方向的X轴反射镜、Y轴反射镜和F-θ透镜，所述X轴反射镜由X轴电机带动沿X轴转动，所述Y轴反射镜由Y轴电机带动沿Y轴转动。X轴电机和Y轴电机均由计算机控制，激光束最终经F-θ透镜将平行光束聚焦于一点后落到工件上，从而实现激光打标。

有益效果：(1)制备工艺简单、原料易得。采用激光微加工技术和硅烷化处理技术相结合的方法，在大气环境下即可实现铝合金超疏水功能表面的制备。

(2)加工成本较飞秒激光器低、加工参数独立可控。采用红外激光打标机可通过计算机编程可实现点阵、直线、网格状微结构的扫描；同时激光的平均功率、扫描速度、单次曝光时间、相邻扫描线之间的间隔等工艺参数独立可控。

(3)所制得的铝合金超疏水功能表面具粗糙的微结构，对水的接触角为150°左右。

(4)所制得的铝合金超疏水功能表面有良好的抗腐蚀性、滑移减阻性，可应用于船体结构、船舶的上部结构、隔板结构等，易于实现工业应用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1激光打标机加工流程示意图；

图2激光打标机振镜系统原理图；

图3红外激光打标机制备得到的铝合金超疏水功能表面微观结构图；

图4红外激光打标机制备得到的铝合金超疏水功能表面的接触角示意图；

其中1.计算机，2.激光器，3.激光束，4.X轴电机，5.X轴反射镜，6.Y轴电机，7.F-θ透镜，8.Y轴反射镜。

具体实施方式

图1为激光打标机加工流程示意图。首先通过上位机人机交互系统对激光加工参数进行设置生成打标数据；然后把打标数据传输到控制器上，控制器一方面控制激光器，根据打标数据设置激光的能量密度；另一方面控制振镜扫描系统，对激光器发出的激光通过振镜系统内的电动机运转控制激光的传播路径，实现高精度打标。

图2为激光打标机振镜扫描系统原理图。通过计算机1设置激光加工参数，控制激光器2输出激光束3，将激光束入射到X轴反射镜5和Y轴反射镜8上，同时利用计算机1分别控制X轴电机4和Y轴电机6运转，带动X轴反射镜5和Y轴反射镜8分别沿X、Y轴转动，通过F-θ透镜7将平行光束聚焦于一点后落到工件上，从而实现激光打标。

为了更好的理解本发明，以下结合具体实例对本发明的技术方案做进一步详细的介绍。下述实施例中所述实验方法如无特殊说明均为常规方法，所述试剂和材料如无特殊说明均从商业途径可获得。

实施例1

本实施例的激光打标机制备铝合金超疏水功能表面的方法，包括如下步骤：

(1)预处理：将待处理的6061铝合金样片依次经400^#、1000^#、3000^#砂纸打磨，经打磨处理后的样品依次用无水乙醇和蒸馏水进行超声波清洗，超声温度为40～60℃，时间为20～30min，再在60～80℃恒温烘箱中干燥5～10min，得到洁净的铝合金样品；

(2)激光微加工：采用红外激光打标机调节好相关的工艺参数对样品表面进行激光扫描处理；激光的波长为1064nm、最大激光输出功率为16W、激光频率为20kHz、加工时使用的电流密度为13A、激光孔径为80μm，采用点阵加工单次曝光时间为5ms、相邻扫描线之间的间隔为50μm。

(3)硅烷化处理：将经激光加工后的样品放入超声波清洗机内依次用无水乙醇、蒸馏水在40～60℃恒温下超声清洗20～30min，以清除加工飞沫；将清洗干净的铝合金样品置于1％wt十六烷基三甲氧基硅烷的乙醇溶液中在室温下浸泡10～12h,使样品表面形成一层疏水薄膜，然后取出依次用乙醇、去离子水冲洗，再放入60～80℃恒温烘箱中干燥20～30min，即制得所述的功能性超疏水表面。

本实例制得的铝合金超疏水功能表面微观结构图如图3所示，表面呈微米级粗糙结构。

本实例制得的铝合金超疏水功能表面的接触角如图4所示，与水的接触角为148°。

应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。