本发明属于金属涂层技术领域，具体涉及一种铜基金属抗生物涂层及其制备方法。
背景技术：
随着陆地资源，包括矿产、土地、生物等的日益枯竭，海洋及海岸也正成为各国争相开发资源、能源的目光聚集之地。海洋装备如潜艇、舰船、海上平台等，是人类探索并开发广阔海洋不可或缺的工具，因而其发展直接促进着各国航海运输和海军力量的发展。海洋环境十分复杂多变，这严重影响着海洋装备的性能发挥，其中海洋生物污损所带来的危害尤为突出。生物污损实际上是生物群落在海洋装备材料表面的形成过程，该过程中首先发生的是多糖、脂类和蛋白质分子等有机物的富集，随后是细菌和藻类等微生物在富集有机物周围的附着生长。这些附着的微生物为了进一步提高自身与材料表面的附着力，以及与正在发展着的生物膜中其他生物间的粘着能力，会继续分泌更多新的胞外多聚物，继而形成一层由水、有机物、微生物及其胞外代谢多聚物组成的生物膜。生物膜的形成会促使藤壶、牡蛎、贻贝和大型海藻等污损生物在海洋装备表面附着、生长，最终形成复杂的污损生物生态群落。
生物污损的发生会对海洋环境中服役的设备造成非常严重的影响，主要体现在以下几个方面：
(1)附着性污损生物附着在海洋装备(如船体)表面，当附着量达到一定程度时，聚集的海洋附着生物会影响船体外形流畅程度，大大增加了船舶航行时的阻力，继而导致船舶航行速度下降，燃料损耗剧增。大量的油耗，一方面增加了航运作业的成本，据估算，每年仅用于全球船舶防污及美观工艺的花费就有约7亿美元；另一方面又加大了废气的排放量，造成大气的污染。海洋污损生物的繁殖与生长速度，在一些水温适宜、水体富营养化的海域会变得极快。仅仅在这样的码头停泊数天，船舶的螺旋桨、船身表面就会长满藤壶、贝类、海藻等污损生物，严重时甚至需要经过人工清理后舰船才能起动。这既拖延了航行任务，也造成巨大人力、物力的浪费。
(2)海洋装备被生物附着后，可能会改变舰船壳体金属的表面特性，加速金属的腐蚀。被污着生物大量附着后，船体表面会出现局部应力集中现象，致使表面的防污涂层出现微小的裂纹。在海水这种良好电解质溶液环境中，裂纹周围会形成原电池。原电池的形成即意味着电化学反应的发生，这会加速金属腐蚀，改变腐蚀过程，最终导致局部腐蚀加剧，乃至穿孔腐蚀。
(3)潮汐过程中的海水含有大量的藻类植物、贝壳类生物，这些海生物容易吸附在海洋设备发电机组部件表面。其中，藻类植物通过光合作用产生氧气，使附近水体含氧量增加，贝壳类生物呼吸作用产生的二氧化碳及动植物腐化后的分解产物会增加附近水体的酸性，有些海生物甚至会破坏设备表面的保护涂层，这些情况都会引起金属部件发生腐蚀，缩短发电机组的使用寿命。此外，海生物的大量吸附还会影响水体流量和机组散热，降低发电设备的运行性能和稳定性。
因此，随着对海洋装备的续航和灵活性要求的日益增加，在动力和能源受限的情况下，如何提高海洋装备抗海洋生物附着性、防腐蚀性，提高设备服役寿命，降低航行功耗，缩短维修周期，已成为当前海洋军事发展亟待解决的问题。
针对以上提到的问题，本发明旨在利用铜基金属抗生物涂层技术对金属表面进行防护，有效防腐蚀的同时阻止海洋生物附着。提高海洋装备抗海洋生物附着性、防腐蚀性，提高设备服役寿命，降低航行功耗，缩短维修周期。
同时经过测试，本发明中的铜基金属抗生物涂层，对环境影响远低于同类型金属涂层抗生物附着技术。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种铜基金属抗生物涂层及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种铜基金属抗生物涂层，包括铜基合金丝，所述铜基合金丝包括以下重量组分：铜50～78％、锌18～45％、铅1.3～2.5％、锡0.2～1.9％、铝0.2～2.6％、镍0.2～1.3％、二氧化锆0.1～3.3％、氧化铜0.1～0.8％。
优选的是，所述铜基合金丝的直径为4mm。
所述铜基合金丝的导电率达到2.10e+7(1/ω·m)。
一种铜基金属抗生物涂层的制备方法，按照先后顺序包括以下步骤：
s1：铜基合金丝的预处理：经过低温回火处理，回火温度为125～225℃，退火时间为1h，处理后的铜基金属丝材硬度达到60hrc～90hrc；
s2：待防护表面预处理：对防护表面进行依次清洗、去锈、除氧化层处理；
s3：对待防护表面进行打磨，使得打磨后的粗糙度在1.2～3.5之间；
s4：喷涂：采用电弧喷涂技术，通过电弧将温度达到5500～6000℃将送入的铜基金属丝融化，用喷涂速度为280～350m/s的高速气流将该铜基金属雾化、喷涂，形成铜基金属抗生物涂层，铜基金属抗生物涂层的孔隙率在1.8～10％之间，结合强度在30～50mpa之间。
优选的是，所述铜基金属抗生物涂层的厚度为0.03～0.8mm。
上述任一方案中优选的是，所述待防护表面指需要耐腐蚀与防止生物附着的设备表面，包括海洋设备表面。
本发明的技术效果和优点：1、涂层耐磨性好，抗生物附着性好，防腐性能优越，性能稳定；
2、不同于属于同类型的tbt及毒性材料涂层抗生物附着技术，属于环境友好型技术，对海洋环境影响极小；
3、相较于特殊表面能、生物酶、电解法抗生物附着，本发明的性能稳定，成本低，且制备方法简单，适合规模生产。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种铜基金属抗生物涂层，包括铜基合金丝，所述铜基合金丝包括以下重量组分：铜50％、锌45％、铅2.5％、锡0.2％、铝0.2％、镍0.2％、二氧化锆1.8％、氧化铜0.1％。
具体的，铜基合金丝的直径为4mm。
具体的，铜基合金丝的导电率达到2.10e+7(1/ω·m)。
一种铜基金属抗生物涂层的制备方法，按照先后顺序包括以下步骤：
s1：铜基合金丝的预处理：经过低温回火处理，回火温度为225℃，退火时间为1h，处理后的铜基金属丝材硬度达到60hrc～90hrc；
s2：待防护表面预处理：对防护表面进行依次清洗、去锈、除氧化层处理；
s3：对待防护表面进行打磨，使得打磨后的粗糙度在ra1.2～ra3.5之间；
s4：喷涂：采用电弧喷涂技术，通过电弧将温度达到6000℃将送入的铜基金属丝融化，用喷涂速度为350m/s的高速气流将该铜基金属雾化、喷涂，形成铜基金属抗生物涂层，铜基金属抗生物涂层的孔隙率在1.8～10％之间，结合强度在30～50mpa之间。
具体的，铜基金属抗生物涂层的厚度为0.03～0.8mm。
具体的，待防护表面指需要耐腐蚀与防止生物附着的设备表面，包括海洋设备表面。
对实施例1制备的铜基金属抗生物涂层进行抗生物附着实验，类比国标gb_t5370-2007《防污漆样板浅海浸泡试验方法》，在所在海域海生物旺季前一个月开始实验。将带有本发明铜基金属抗生物涂层的样品放置于海水环境中，前3个月每月观察一次，之后每季度观察一次，一年后每半年观察一次(海生物生长旺季每季度观察一次)。记录样品上海洋污损生物的附着数量及其生长状况。
根据此国标进行判定，若样板表面只附着藻类胚芽和其他生物淤泥，则试验样板的表面污损可评定为100。若仅仅有一些初期污损生物附着则降至95。若有成熟的污损生物附着，则评分的方法为：以95为总数扣除个体附着的污损生物的数量和群体附着污损生物的覆盖面积百分数。例如：
试验样板上附着的海生物包括：
藤壶3个，直径3mm～10mm；
软体动物2个，直径15mm；
绿藻附着面积3％；
其他污损生物无。
评分：95-(3+2+3)＝87。
漆膜物理状态评定判定试验样板表面漆膜无物理损伤则评定为100，从100扣除被破坏的面积百分数即可得到漆膜破损程度的评估。
根据实验结果显示，两年后本实施例1制备的铜基金属抗生物涂层样品无海洋污损生物，仅有部分淤泥附着，根据标准判定其两年后抗生物附着能力为100。未出现脱落现象，本身稳定性优秀，物理状态评定为100。
实施例2：
一种铜基金属抗生物涂层，包括铜基合金丝，所述铜基合金丝包括以下重量组分：铜70％、锌18.8％、铅1.3％、锡1.9％、铝2.6％、镍1.3％、二氧化锆3.3％、氧化铜0.8％。
具体的，铜基合金丝的直径为4mm。
具体的，铜基合金丝的导电率达到2.10e+7(1/ω·m)。
一种铜基金属抗生物涂层的制备方法，按照先后顺序包括以下步骤：
s1：铜基合金丝的预处理：经过低温回火处理，回火温度为125℃，退火时间为1h，处理后的铜基金属丝材硬度达到60hrc～90hrc；
s2：待防护表面预处理：对防护表面进行依次清洗、去锈、除氧化层处理；
s3：对待防护表面进行打磨，使得打磨后的粗糙度在ra1.2～ra3.5之间；
s4：喷涂：采用电弧喷涂技术，通过电弧将温度达到5500℃将送入的铜基金属丝融化，用喷涂速度为280m/s的高速气流将该铜基金属雾化、喷涂，形成铜基金属抗生物涂层，铜基金属抗生物涂层的孔隙率在1.8～10％之间，结合强度在30～50mpa之间。
具体的，铜基金属抗生物涂层的厚度为0.03～0.8mm。
具体的，待防护表面指需要耐腐蚀与防止生物附着的设备表面，包括海洋设备表面。
抗生物附着实验，类比国标gb_t5370-2007《防污漆样板浅海浸泡试验方法》，在所在海域海生物旺季前一个月开始实验。将带有本发明铜基金属抗生物涂层的样品放置于海水环境中，前3个月每月观察一次，之后每季度观察一次，一年后每半年观察一次(海生物生长旺季每季度观察一次)。记录样品上海洋污损生物的附着数量及其生长状况。
根据实验结果显示，两年后本实施例2制备的铜基金属抗生物涂层样品表面除淤泥与藻类胚芽外存在绿藻附着，附着面积为2％，无主要海洋污损生物，根据标准判定其两年后抗生物附着能力为93。出现轻微脱落现象，本身稳定性良好，物理状态评定为98。
实施例3：
一种铜基金属抗生物涂层，包括铜基合金丝，所述铜基合金丝包括以下重量组分：铜60％、锌31％、铅2％、锡1％、铝2％、镍1％、二氧化锆2.5％、氧化铜0.5％。
具体的，铜基合金丝的直径为4mm。
具体的，铜基合金丝的导电率达到2.10e+7(1/ω·m)。
一种铜基金属抗生物涂层的制备方法，按照先后顺序包括以下步骤：
s1：铜基合金丝的预处理：经过低温回火处理，回火温度为200℃，退火时间为1h，处理后的铜基金属丝材硬度达到60hrc～90hrc；
s2：待防护表面预处理：对防护表面进行依次清洗、去锈、除氧化层处理；
s3：对待防护表面进行打磨，使得打磨后的粗糙度在ra1.2～ra3.5之间；
s4：喷涂：采用电弧喷涂技术，通过电弧将温度达到5700℃将送入的铜基金属丝融化，用喷涂速度为300m/s的高速气流将该铜基金属雾化、喷涂，形成铜基金属抗生物涂层，铜基金属抗生物涂层的孔隙率在1.8～10％之间，结合强度在30～50mpa之间。
具体的，铜基金属抗生物涂层的厚度为0.03～0.8mm。
具体的，待防护表面指需要耐腐蚀与防止生物附着的设备表面，包括海洋设备表面。
抗生物附着实验，类比国标gb_t5370-2007《防污漆样板浅海浸泡试验方法》，在所在海域海生物旺季前一个月开始实验。将带有本发明铜基金属抗生物涂层的样品放置于海水环境中，前3个月每月观察一次，之后每季度观察一次，一年后每半年观察一次(海生物生长旺季每季度观察一次)。记录样品上海洋污损生物的附着数量及其生长状况。
根据实验结果显示，两年后本实施例3制备的铜基金属抗生物涂层样品表面仅存在生物淤泥，无主要海洋污损生物，根据标准判定其两年后抗生物附着能力为100。出现轻微脱落现象，本身稳定性良好，物理状态评定为98。
铜基合金丝的制备方法为现有技术，具体参照公开号为cn102127663b的专利。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。