一种利用短脉冲激光制备黄铜超疏水自清洁表面的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属基材表面改性技术领域，涉及一种黄铜基材表面改性技术，更具 体地说，本发明涉及一种利用短脉冲激光制备黄铜超疏水自清洁表面的方法。
【背景技术】
[0002] 自然界当中有很多植物花叶表面具有非常突出的自洁功能，例如玫瑰花等植物的 花瓣表面就具有非常突出的超疏水性，这些性能在材料防腐蚀、抗氧化等方面有非常广泛 的应用前景，由此引起了金属表面浸润性在相关领域的应用。金属材料的浸润性是金属表 面很重要的一个特征，材料的微观结构以及组成成分共同影响着材料表面的浸润性。超疏 水表面的实质是拥有极低的浸润性，而要获得低浸润性主要取决于两个基本因素，即固体 表面的微观几何结构和表面化学成分。判断表面的疏水性或低润湿性通常用瞬时接触角或 滚动角作为判定准则：当水滴在固体表面上，接触角大于90°时，称为疏水表面；其接触角 超过150°，滚动角小于10°时，则被称为超疏水性表面。
[0003] H62黄铜材料由于其出色的防腐蚀性以及其他优异的性能，被广泛地应用于机械 行业，医疗行业，电子电气行业等行业。H62黄铜超疏水表面技术在先进制造业和国防工业 当中有着非常重要的作用。用激光技术加工H62黄铜表面，使H62黄铜表面形成自清洁的 超疏水表面，非常具有应用前景。
[0004] 制备金属超疏水表面的方法有很多，主要的方法是在材料表面构造一层粗糙的微 结构，然后在这层微结构上加上低表面能的物质，形成粗糙微结构的主流方法有阳极氧化 法，纳秒材料涂层法，化学刻蚀法，激光刻蚀法等。阳极氧化法就是将多孔氧化铝凝胶浸入 沸水当中，然后将升华的材料和铝石或者硅石混合，为了有效地获得超疏水表面，还需要用 低表面能物质对表面进行必要的修饰，加工的效率并不高。例如，申请号为201310079939. 7 的专利公开了一种铝合金仿生超疏水表面的制备方法，首先以无水乙醇清洗铝合金，然后 在铝合金表面进行激光加工，在试样表面加工出无数微尺度的弹坑状结构，再将试样浸入 化学刻蚀溶液中，使试样表面的形貌特征发生改变，但该方法未完全突破传统化学蚀刻的 表面处理工艺，采用激光加工工艺后还进一步利用了化学刻蚀，且将经过化学刻蚀后的铝 合金试样放入含有DTS的甲苯溶液中进行修饰，在其表面逐渐形成低表面能的薄膜，该处 理工艺复杂，且使用了高毒致癌物质甲苯，容易造成环境污染。申请号为201410657627. 4 的专利公开了一种超疏水高粘附金属表面及其制备方法，通过高功率皮秒或飞秒激光在金 属表面制备类玫瑰花表面微观结构的周期性微纳米结构，再通过低自由能物质的表面修 饰，实现了超疏水高粘附金属表面的制备，该方法采用低表面能物质对表面进行必要的修 饰，加工效率低。激光加工法是在金属基材表面光刻出形态高度一致的微结构，改善基材 表面形貌实现基材表面超疏水自清洁要求，相比化学腐蚀方法，不但加工的速度快，还不需 要在材料表面加一层修饰层，大大地提高了加工效率，而且没有任何环境污染，加工效率高 而且成本低，适合大规模工业化应用。例如，申请号为201410788477. 0的专利申请公开了 一种钛合金表面超疏水微纳结构的制备方法，先对钛合金样品分别用丙酮和无水酒精进行 超声波清洗，得到表面干净的钛合金样品；然后对表面干净的钛合金样品表面进行飞秒激 光光刻加工，一步得到具有光栅型或井型或圆形盲孔型超疏水微纳结构表面的钛合金样 品，虽然利用飞秒激光器能加工出非常精确的微观结构表面，但是这种简单的方法也不能 掩盖飞秒激光器固有缺点，如价格及其昂贵、加工效率低、加工环境苛刻的缺陷。申请号为 200910183588. 8的专利公开了一种仿生金属超润湿跨尺度结构设计方法与制备方法，该方 法通过复杂的超亲水理论设计，将待处理样品置于高真空室中，分别在不同角度下进行两 次扫描，最终获得接近自然生物表面形貌的跨尺度微结构，但是该方法需严格控制各项工 艺参数，处理成本过高，完全不适合工业化大规模生产。
[0005] 综上所述，亟待开发出一种工艺简单，制备效率高，适用于产业化应用，不产生任 何环境污染且一次性实现金属基材表面超疏水易清洁性能而无需经过任何化学工艺处理 的激光加工方法，是目前科研工作者亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0006] 为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种工艺简单，制备效率 高、绿色环保的黄铜超疏水自清洁表面及其制备方法。本发明的方法可在各种尺寸和不同 形状的黄铜材料表面获得长期稳定的、接触角大于150°、滚动角小于10°的超疏水表面， 同时制得的表面还具有出色的自清洁性能。
[0007] 本发明的目的是通过下述技术方案实现的：一种利用短脉冲激光制备黄铜超疏水 自清洁表面的方法，所述方法包括如下步骤：
[0008] 步骤一，将待处理的黄铜表面进行抛光预处理，得到表面抛光后的黄铜样品；
[0009] 步骤二，将步骤一所述表面抛光后的黄铜样品放在盛有去离子水的超声波清洗仪 中清洗，然后用无水乙醇清洗，清洗干净后，将所述黄铜样品表面用冷风吹干或室温自然晾 干，得到洁净的黄铜样品；
[0010] 步骤三，利用激光加工技术，采用短脉冲激光器调节好相关的工艺参数后对步骤 二所述得到的洁净黄铜样品表面进行激光扫描处理，在样品表面加工出无数的微结构；
[0011] 所述激光扫描米用振镜系统进行光束扫描，振镜扫描的速度为0. lmm/s-30m/s，激 光的通断及振镜系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定；
[0012] 或所述激光扫描米用多棱镜系统进行光束扫描，多棱镜扫描的速度为lm/s-800m/ s，激光的通断及多棱镜系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设 定；
[0013] 或所述激光扫描使用运动平台系统实现，将光束固定，样品相对光束运动，平台 运动的速度为0. lmm/s-3m/s，激光的通断、平台运动轨迹和速度均由计算机程序控制和设 定；
[0014] 步骤四，将步骤三所述得到的表面经过激光加工处理后的黄铜样品放入恒温恒湿 电热干燥箱内烘烤，得到所述黄铜超疏水自清洁表面；
[0015] 其中，步骤三所述的短脉冲激光器波长小于1550nm，平均功率小于80W，所述激光 加工参数为：脉宽为l〇ns-500ns，单脉冲能量小于I. 03mJ。
[0016] 进一步地，上述技术方案中所述的黄铜优选为H62黄铜。
[0017] 进一步地，上述技术方案中步骤三所述短脉冲激光器的重复频率为70kHz-lMHz， 所述脉宽为20ns-240ns。
[0018] 进一步优选地，所述短脉冲激光器的波长为1064nm，所述短脉冲激光器的脉 宽为100ns-240ns，所述单脉冲能量为0. 5mJ-0. 7mJ，所述短脉冲激光器的重复频率为 80kHz-120kHz，所述激光扫描速度为 1000mm/s-2000mm/s。
[0019] 更进一步优选地，所述脉宽为130ns-240ns。
[0020] 再进一步优选地，所述脉宽为240ns，所述单脉冲能量为0. 6mJ，所述短脉冲激光 器的重复频率为IOOkHz，所述激光扫描速度为1000mm/s-1500mm/s。
[0021] 再进一步优选地，所述脉宽为130ns，所述单脉冲能量范围为0. 5mJ，所述短脉冲 激光器的重复频率为120kHz，所述激光扫描速度为1500mm/S-2000mm/ S。
[0022] 进一步地，上述技术方案步骤四中所述电热干燥箱内的压力为普通大气压，湿度 为40% -60% RH，温度为100°C _250°C，所述样品烘烤的时间为2-8小时，所述电热干燥箱 内的温度误差为±1°C。
[0023] 更进一步优选地，所述恒温恒湿电热干燥箱内的湿度为50% RH，温度为100°C，烘 烤的时间为2小时。
[0024] 进一步地，上述技术方案中步骤一所述的抛光预处理采用功率为370W、研磨盘转 速为450转/分、研磨盘直径为230mm的金相试样预磨机，抛光预处理过程需要辅助直径为 200mm、1000目的SiC水砂纸在所述黄铜表面进行抛光处理，抛光范围是100cm 2,抛光时间 10分钟。
[0025] 进一步地，上述技术方案中步骤二所述超声清洗仪的超声频率为40kHz，所述去离 子水电阻率为18. 25兆欧，所述去离子水应将黄铜样品表面淹没，在室温下连续清洗30分 钟。
[0026] 本发明还提供了由上述方法制备得到的黄铜超疏水自清洁表面，所述表面具有微 米级乳突状结构。
[0027] 与现有技术相比，本发明方法具有以下优点：
[0028] (1)利用本发明方法制备得到的黄铜表面最大接触角可达159. 0°，最小滚动角 为8.2°，因此具有非常好的超疏水性能。
[0029] (2)本发明的制备方法工艺简单，操作方便，效率高，能耗少，成本低，完全克服了 传统使用化学试剂刻蚀黄铜表面或者在激光加工完成后仍需再采用低表面能物质进一步 修饰表面的缺陷，绿色环保，不采用任何化学试剂涂