一种电火花加工与喷涂法复合的超疏水表面制备方法与流程

本发明属于电火花加工技术领域，特别是涉及一种电火花加工与喷涂法复合的超疏水表面制备方法。

背景技术：

超疏水表面是指水滴在固体表面的静态接触角大于150°，滚动角小于10°的表面。自然界很多现象都是超疏水表面的体现，如蝴蝶翅膀、荷叶和水黾等，超疏水表面具有一系列的优良性能如减阻性，抗腐蚀性和自清洁性能等。将其应用到工业生产等领域可以有效地增强产品的使用性能，有很好的应用前景。实验研究发现，超疏水表面是微纳米结构和表面化学成分共同作用的结果，由于纳米结构的强度较低，所以表面经常由于易磨损而失效，超疏水表面的耐磨损性成为限制其广泛应用的一个亟待解决的问题。现有的超疏水表面制备方法如自组装、水热反应、静电纺丝和激光加工方法存在很多条件限制如成本问题和工艺过程复杂，使其难以推广应用于大规模工业生产。

电火花加工方法是一种典型的特种加工方法，主要利用在工件和工具电极之间脉冲电源施加高压，通过正负电极之间的火花放电来达到去除材料的效果。由于电火花加工方法工具与工件之间没有宏观作用力，非常适用于高强度材料的加工，而加工过程中的电极损耗问题又使得其在应用过程中存在精度问题。电火花放电加工过程是极间电能转化成热能将材料熔化汽化，并随着爆炸力将颗粒抛出并被工作液带走的过程，因此在工件的加工表面会存在放电凹坑和凸起，影响表面粗糙度。而在电火花加工过程中表面留下的粗糙结构可以作为制备金属超疏水表面的基底，以此利用原本不利的凹凸结构实现更好的超疏水效果。

现有制备方法大多是在构建微纳米结构之后使用低表面能试剂如氟化剂和长链脂肪酸等处理，以此实现表面的超疏水性。然而低表面能试剂存在价格昂贵、毒性和长时间暴露易分解的缺点，限制其在大规模生产上的应用。多壁碳纳米管具有颗粒细小，疏水性好等性能，而且热稳定性好，高温不易分解。在电火花加工表面沉积一层均匀细小的碳纳米管层可以有效使其达到超疏水的效果，结合电火花加工表面的微米级凹凸结构和碳纳米管组成微纳米复合结构，使得低表面能物质不易被擦除，解决了长期稳定和大规模制备的问题。

技术实现要素：

本发明目的是为了解决现有超疏水表面技术中的稳定性差，工艺流程复杂，成本高限制大规模使用的问题，提出了一种电火花加工与喷涂法复合的超疏水表面制备方法；在金属表面形成接触角大于150°，滚动角小于10°的超疏水涂层，并能根据需求制备表面带有图案的超疏水表面，通过对表面按照图形规律进行工艺处理，使得表面依据润湿性的差异展现出不同的液滴效果，可以有效的操控水流和水滴的运动。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种电火花加工与喷涂法复合的超疏水表面制备方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、金属工件的预处理：将金属工件材料表面使用不同粒度的砂纸由粗到精进行打磨，除去氧化层，使用丙酮清洗污垢，晾干；

步骤2、金属工件与工具电极的装夹：将金属工件按照工艺要求进行装夹，将工具电极安装在机床平台的主轴头上，进行调平对准；

步骤3、放电加工：金属工件和工具电极分别与脉冲电源的正极或负极相连，采用冲液的加工方法，由x、y、z三轴伺服进给机构驱动工具电极按照数控程序做电火花铣削加工或电火花成形加工，使金属工件的超疏水表面放电处理，形成微米级的粗糙结构；

步骤4、清洗：将电火花铣削加工或电火花成形加工处理后的表面使用酒精进行去除油污和不均匀的煤油裂解碳颗粒；

步骤5、碳纳米管喷涂：配置碳纳米管与酒精悬浊液，装入喷笔工具，将喷笔固定在z轴上，调整角度，按照数控程序中设置好的轨迹进行喷涂处理；

步骤6、浸油加热处理：在喷涂碳纳米管之后，待酒精蒸发后，在碳层上滴加油滴，并加热干燥，使碳颗粒聚集增强稳定性，完成金属超疏水表面的制备。

进一步地，所述工具电极为金属材料电极或石墨材料电极，若使用金属材料电极，则将金属工件与脉冲电源正极相连，金属材料电极与脉冲电源负极相连接；若使用石墨材料电极，则将金属工件与脉冲电源负极相连，石墨材料电极与脉冲电源正极相连接。

进一步地，所述冲液的加工方法所使用的工作液为煤油工作液，将充液管口对准加工部位，工作液循环使用。

进一步地，所述金属工件的加工深度为0.05mm。

进一步地，所述工具电极为圆柱电极或底面具有与超疏水表面形状一致的电极。

进一步地，喷涂使用的悬浊液为配置的碳纳米管质量分数10-30wt％的酒精悬浊液。

进一步地，所述加热温度为310℃，加热时间为3-5min。

本发明的有益效果为：

本发明所述的方法解决了金属超疏水表面的大规模大面积制备的问题，使用电火花机床配合喷涂装置完成了制备的工艺流程，效率得到很大提高，此方法适用于几乎所有金属材料，按照工艺要求实现不同表面图案及型腔的超疏水效果。本发明巧妙地将电火花加工方法应用于表面处理，电火花加工过程中表面凹凸结构原本作为影响表面粗糙度的不利因素，将其应用于超疏水表面的制备，达到变废为宝的效果。电火花加工表面的凹凸结构为后处理中碳纳米管颗粒的聚集提供了良好的依附基面，微米级别凹坑与纳米碳颗粒结合构建出微纳米复合结构，增强了抗润湿性，提高了表面的抗磨损强度。本发明使用将电火花加工表面喷涂碳纳米管的方法，使碳纳米管颗粒沉积在具有凹坑和凸起的表面，然后通过滴油并蒸发的方式使碳颗粒聚集。此方法解决了使用低表面能试剂如氟化剂浸泡方法在工艺和成本上带来的诸多问题，碳的稳定性使得制得的金属材料超疏水表面具有耐磨损，稳定性高的特点，且工艺简单，成本低廉，便于大规模生产，应用于实际的生产和生活。

附图说明

图1为本发明所述电火花加工与喷涂法复合的超疏水表面制备方法的装置示意图；

图2为本发明所述电火花加工与喷涂法复合的超疏水表面制备方法的工艺流程图；

图3为电火花加工的铝表面的sem(扫描电子显微镜)示意图，使用的加工电压为110v，峰值电流36a，脉宽120us，占空比20％；

图4为经过碳纳米管喷涂的超疏水表面的sem(扫描电子显微镜)示意图；

图5为本发明制备的超疏水表面的水滴接触角和滚动角测试图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对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。

本发明所述方法所使用的装置为三轴数控平台，如图1所示，配合电火花加工电源并结合通用或专用夹具，实现不同工件的超疏水性表面处理。结合图2，本发明提出一种电火花加工与喷涂法复合的超疏水表面制备方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、金属工件的预处理：将金属工件材料表面使用不同粒度的砂纸由粗到精进行打磨，除去氧化层，使用丙酮清洗污垢，晾干；所用的金属工件材料可以是任意的金属材料，如铝材，铜材，不锈钢等工程上应用比较多的金属材料，只要能进行放电加工即可；

步骤2、金属工件与工具电极的装夹：将金属工件按照工艺要求进行装夹，将工具电极安装在机床平台的主轴头上，进行调平对准；

步骤3、放电加工：金属工件和工具电极分别与脉冲电源的正极或负极相连，采用冲液的加工方法，由x、y、z三轴伺服进给机构驱动工具电极按照数控程序做电火花铣削加工或电火花成形加工，如图3所示，使金属工件的超疏水表面放电处理，形成微米级的粗糙结构；

所述工具电极为金属材料电极或石墨材料电极，若使用金属材料电极，则将金属工件与脉冲电源正极相连，金属材料电极与脉冲电源负极相连接(即正极性加工)；若使用石墨材料电极，则将金属工件与脉冲电源负极相连，石墨材料电极与脉冲电源正极相连接(即负极性加工)。

所述冲液的加工方法所使用的工作液为煤油工作液，将充液管口对准加工部位，工作液循环使用；

在电火花加工之前将工具电极与金属工件位置调平，使得间隙等宽，在加工过程中，工件的加工深度为0.05mm即可；

所述工具电极为圆柱电极或底面具有与超疏水表面形状一致的电极。

步骤4、清洗：将电火花铣削加工或电火花成形加工处理后的表面使用酒精进行去除油污和不均匀的煤油裂解碳颗粒；

步骤5、碳纳米管喷涂：配置碳纳米管与酒精悬浊液，装入喷笔工具，将喷笔固定在z轴上，调整角度，按照数控程序中设置好的轨迹进行喷涂处理，如图4所示；喷涂使用的悬浊液为配置的碳纳米管质量分数10-30wt％的酒精悬浊液。使用喷笔出口距离工件表面5-30mm可调，根据工作距离调整碳纳米管的喷涂厚度；

步骤6、浸油加热处理：在喷涂碳纳米管之后，待酒精蒸发后，在碳层上滴加油滴，并加热干燥，使碳颗粒聚集增强稳定性，完成金属超疏水表面的制备，超疏水表面的水滴接触角和滚动角测试图如图5所示。所述加热温度为310℃，加热时间为3-5min。

以上对本发明所提供的一种电火花加工与喷涂法复合的超疏水表面制备方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。