一种利用超快激光制备铸铁超疏水耐腐蚀表面的方法
【技术领域】：
[0001] 本发明属于金属材料表面改性技术，设及铸铁基体上超疏水表面的制备方法，更 具体地说，本发明设及一种利用超快激光制备铸铁超疏水耐腐蚀表面的方法。
【背景技术】：
[0002] 自然界为我们提供了大量的超疏水、自清洁的动植物表面实例，如荷叶、水稻叶、 水印腿、蛾的翅膀、鸟类的羽毛等表面。自然界的生物经过亿万的演变进化出各种形态、功 能、结构和材料的表面，W适应其生存的环境。该种结构表面具有超疏水非浸润、自清洁、防 粘附的功能，除此之外还有隐身、减阻、降噪等功能。随着现代材料技术和测试检测技术的 发展，科学家们发现自然界的该些动植物具有超疏水和自清洁功能，当污染物及水附着在 其表面上很容易滑落达到自清洁的目的，而要清洗同样的表面则需要耗费大量的人力和物 力。因此在金属材料上制备出超疏水表面得到越来越多的关注，人们渴望将超疏水性能应 用于工业生产，尤其是在铸铁表面上制备出超疏水的性能。通常规定，将水滴在表面的接触 角CA大于90°称为疏水表面，当接触角CA大于150°、滚动角TA小于10°的表面称为超 疏水表面。
[0003] 铸铁是世界上产量最高的金属材料，被广泛的应用在船舶工业、汽车工业、桥梁铁 路等领域中。但是每年由于腐蚀造成铸铁的损失占年产量的10-20%，因此铸铁的防腐蚀就 显得尤为重要。超疏水耐腐蚀概念为铸铁基体的耐腐蚀处理提供了新的思路。用激光技术 加工铸铁表面，使铸铁表面形成耐腐蚀的超疏水表面，具有非常大的应用前景。
[0004] 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W及组成成分 共同影响该材料表面的浸润性。在金属材料上制备出超疏水的方法有很多，典型的方法有： 阳极氧化法、化学药水腐蚀法、电化学刻蚀+化学腐蚀法、激光刻蚀+化学腐蚀法。阳极氧化 法就是将多孔氧化侣凝胶浸入沸水当中，然后将升华的材料和侣石或者娃石混合，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。 而其他制备方法大多需要特殊的设备或者苛刻加工条件及不可或缺的昂贵、高污染的化学 药剂，通过将样品泡置在化学试剂中，使其表面形成凹坑状微结构。该些方法对环境的污染 较大，操作工艺复杂。针对在铸铁材料上制备出超疏水表面，将使用一种无化学药水、无污 染操作简单的激光加工法，在材料表面形态高度一致的微结构上改善铸铁表面形貌，实现 材料表面超疏水自清洁的要求，对于提高效率、节能、保护环境等都具有重要意义。申请号 为201310079939. 7的专利公开了一种侣合金仿生超疏水表面的制备方法，首先W无水己 醇清洗侣合金，然后在侣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 过化学刻蚀后的侣合金试样放入含有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；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，探索一种具有简单、快捷、成本低、加工效率高的超疏水耐腐蚀的铸铁 基体表面制备方法，是一项既有理论价值又有现实应用价值的技术工作，该项技术发明甚 至有可能给超疏水耐腐蚀该个领域带来颠覆性的变化。
【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、绿色环保的铸铁超疏水表面制备方法。本发明的方法可在各种尺寸和不同形状的铸铁 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 表面还具有出色的耐腐蚀性能。
[0007] 本发明的目的是通过下述技术方案实现的：一种利用超快激光制备铸铁超疏水耐 腐蚀表面的方法，所述方法包括如下步骤：
[000引步骤一，将待处理的铸铁表面进行抛光预处理，得到表面抛光后的铸铁样品；
[0009] 步骤二，将步骤一所述表面抛光后的铸铁样品放在盛有去离子水的超声波清洗仪 中清洗，然后用无水己醇清洗，清洗干净后，将所述铸铁样品表面用冷风吹干或室温自然惊 干，得到洁净的铸铁样品；
[0010] 步骤S，利用激光加工技术，采用超快激光器调节好相关的工艺参数后对步骤二 所述得到的洁净铸铁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] 所述激光扫描采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；
[0013] 步骤四，将步骤=所述得到的表面经过激光加工处理后的铸铁样品放入恒温恒湿 电热干燥箱内烘烤，即得到所述铸铁超疏水耐腐蚀表面；
[0014] 其中，步骤S所述的超快激光器波长小于lOOOnm，所述激光加工参数为；脉宽大 于30fs，单脉冲能量小于0.ImJ。
[0015] 进一步地，上述技术方案中步骤S所述超快激光器的重复频率为10曲Z-200曲Z， 所述脉宽为30fs-l化S。
[0016] 进一步优选地，所述超快激光器的脉宽为80fs-800fs。
[0017] 更进一步优选地，所述超快激光器的波长为800nm，脉宽为90fs-550fs，所述单脉 冲能量为30yJ-60yJ。
[001引再进一步优选地，所述超快激光器的脉宽为90fs，所述激光扫描速度为30mm/ s-50mm/s。
[0019] 进一步优选地，所述超快激光器的脉宽为550fs，所述单脉冲能量为40yJ-60yJ， 所述激光扫描速度为30mm/s-50mm/s。
[0020] 再进一步优选地，所述单脉冲能量为40yj，所述超快激光器的重复频率为 10曲Z，所述激光扫描速度为44. 2mm/s。
[0021] 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水砂纸在所述铸铁表面进行抛光处理，抛光范围是100cm2,抛光时间 10分钟。
[0022] 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40曲Z，所述去离 子水电阻率为18. 25兆欧，所述去离子水应将铸铁样品表面淹没，在室温下连续清洗30分 钟。
[0023] 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。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±rc。
[0024] 更进一步优选地，所述恒温恒湿电热干燥箱内的湿度为40%RH，温度为100°C，烘 烤的时间为8小时。
[0025] 本发明还提供了由上述方法制备得到的铸铁超疏水耐腐蚀表面，所述表面具有纳 米级的凸起状结构。
[0026] 与现有技术相比，本发明方法具有W下优点：
[0027](1)利用本发明方法制备得到的铸铁表面最大接触角可达170.8°，最小滚动角 为5.2°，因此具有非常好的超疏水性能。
[002引 （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铸铁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层，且本发明方法的工艺参数容易控 审Ij，易于实现工业应用。
[0029] (3)采用本发明方法制备得到的超疏水铸铁金属表面性能稳定，具备优异的耐腐 蚀能性能，大大增加了铸铁的使用寿命。
【附图说明】
[0030]图1 (a)、化）分别为本发明实施例1制备得到的铸铁超疏水耐腐蚀表面的接触角 示意图、滚动角示意图；
[0031]图2(C)、（d)分别为本发明实施例2制备得到的铸铁超疏水耐腐蚀表面的接触角 示意图、滚动角示意图；
[0032]图3 (e)、（f)分别为本发明实施例3制备得到的铸铁超疏水耐腐