一种高结合强度的毛囊型微织构及其加工方法与流程

本发明涉及复合材料领域表面处理技术，经过激光微加工和腐蚀液微刻蚀技术，在复合材料的基体表面形成毛囊型微织构，具体地说，涉及到一种高结合强度的毛囊型微织构及其加工方法。

背景技术：

复合材料作为一种新型多功能材料，正广泛应用于航空航天、汽车、大型仓储运输、建材、医疗器械等领域。

目前，提高材料界面结合性能的主要方法是表面微织构处理，常用的微织构形貌分为单一微织构和复合微织构，具体地，有螺旋状(cn104825212a)、圆弧状(cn105149894a)、火山口型和球冠型(cn104551701a)等，其共同特点是，位于材料表面的微织构呈半椭球开口状，即开口处直径大于底部直径，这些传统的上宽下窄的开口状微织构主要通过材料的横向变化来实现复合形貌。

这类微织构的缺点是当复合材料在工况下承受冲击力、挤压力、剪切力、交变力或复合力的作用下易发生基体开裂、分层、纤维断裂和基体挤裂等损伤而降低材料的使用寿命。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题提供一种高结合强度的毛囊型微织构及其加工方法，通过激光微加工和腐蚀液微刻蚀复合技术，在复合材料的基体表面形成毛囊型微织构，增强体与基体材料通过增强体材料嵌入毛凸形成互锁，增加了基体与增强体的有效结合强度，可适用于大多数复合材料结合领域和绝大多数的叠层复合材料领域。

本发明的技术方案是：一种高结合强度的毛囊型微织构，在基体材料表面上加工出上窄下宽的毛囊型复合微形貌，所述毛囊型复合微形貌为沿着垂直于基体材料边的方向进行的上下复合的微形貌，包括上部呈柱状体的毛根，下部呈球状体的毛球，所述毛球内部包括若干个毛凸，所述毛根的直径小于所述毛球的直径。

上述方案中，当所述毛凸的数量为一个时，毛凸与毛球为同一结构，所述毛囊型微织构为单毛凸毛囊型微织构；

当所述毛凸的数量≧2时，所述毛囊型微织构为多毛凸毛囊型微织构，所述毛凸之间具有毛凸间距。

上述方案中，所述毛根的深度h≧5μm，所述毛根的直径d≧100μm，所述毛球的深度h1≧5μm，所述毛球的直径d1≧(1.1～2)d。

上述方案中，所述毛凸的直径d＝(1～1/5)d1。

上述方案中，所述毛凸之间的毛凸间距的值为0≦δ≦d1-2d。

上述方案中，所述毛囊型复合微形貌存在基体材料的全部或部分表面，所述毛囊型复合微形貌面积的占有率为即所述毛囊型复合微形貌面积的占有率μ为所述毛根的表面积与相邻毛根之间中心距l的平方的比值。

一种根据所述高结合强度的毛囊型微织构的加工方法，包括以下步骤：

s1、对基体材料的表面进行粗糙处理；

s2、设计基体材料表面毛囊型形貌为单毛凸毛囊型或者多毛凸毛囊型；

s3、采用激光加工基体材料表面的毛囊型微织构的毛根和毛球部分，所述毛根和毛球为纵向分布，所述毛根的直径小于所述毛球的直径；

s4、采用激光毛化技术加工所述毛球内毛凸的初步形貌，进而采用腐蚀液对毛凸进行横向腐蚀；

s5、采用注射器注入腐蚀剂清洗液对所述毛凸进行清洗；

s6、采用复合工艺将增强体材料融入或嵌入基体材料的毛囊型微凹坑内，即毛囊型微织构，进行复合材料的制备。

上述方案中，所述步骤s1中所述基体材料表面轮廓的算术平均偏差为ra≦0.8μm或者ra≦1.0μm，轮廓的最大高度为rz≦1.6μm或rz≦3.2μm。

上述方案中，所述步骤s2中具体的激光加工参数为：激光毛化的激光波长为532nm或者2×532nm，离焦量为[-1.2，1.2]mm，脉冲宽度为0.5ms，脉冲频率为1khz～10khz，能量密度为10⁴～10⁶w/cm²。

上述方案中，根据复合材料的使用条件，所述步骤s2中激光加工角度与基体材料表面法向呈0°～45°。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明所述的毛囊型微织构，可适用于大多数复合材料结合领域和绝大多数的叠层复合材料领域。

2.本发明所述的毛囊型微织构为上窄下宽的毛囊型微织构是通过纵向变化来实现复合形貌的，可通过毛囊型微织构底部的毛球在很大程度上增加基体与增强体的有效结合面积。

3.本发明所述毛囊型微织构为上窄下宽的毛囊型微织构是通过纵向变化来实现复合形貌的，当增强体与基体材料通过增强体材料嵌入毛凸形成互锁，增加了基体与增强体的有效结合强度，从而提高复合材料的界面结合强度和复合材料的使用寿命。

4.本发明所述毛囊型微织构的参数可根据不同材料的结合进行调整，有效增加了毛囊型微织构的适用场合。

附图说明

图1是本发明一实施方式的单毛凸毛囊型微织构形貌结构示意图；

图2是本发明一实施方式的多毛凸毛囊型微织构形貌结构示意图；

图3是本发明一实施方式的单毛凸毛囊型微织构的尺寸标注图；

图4是本发明一实施方式的多毛凸毛囊型微织构的尺寸标注图；

图5是本发明一实施方式的毛囊型微织构的间距分布图；

图6是本发明一实施方式的单毛凸毛囊型微织构的加工流程图；

图7是本发明一实施方式的多毛凸毛囊型微织构的加工流程图。

图中，1-基体材料；2-毛根；3-毛球；4-毛凸；5-毛凸间距。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

为了说明本发明毛囊型微织构形貌及其加工方法的具体情况，以下述实施中叠层复合材料缓冲条的金属基骨架与橡胶复合为例，结合附图对本发明做进一步的描述。如下所提供的实施案例过程为示意性，并不对本发明构成特别限定。

本发明的为上窄下宽的毛囊型微织构是通过纵向变化来实现复合形貌的。本发明的毛囊型微织构，其特点与优点是当增强体嵌入微凹坑后，毛囊型结构将成型后的部分增强体锁紧，增强基体与增强体的有效接触面面积的同时形成了结构上的互锁，从而提高复合材料的界面结合强度和复合材料的使用寿命。毛囊型微织构的参数可根据不同材料的结合进行调整，有效增加了毛囊型微织构的适用场合。

一种高结合强度的毛囊型微织构，毛囊型为上柱状体和下球状体的复合微形貌，在基体材料1表面加工出包括毛根2、毛球3、毛凸4和毛凸间距5的复合微形貌，所述复合微形貌具有两种纵向排列的微凹腔形貌，根据材料不同毛囊的具体形貌的优化几何参数为：毛根2的深度h≧5μm，毛根2的直径d≧100μm，毛球3的深度h1≧5μm，毛球3的直径d1≧(1.1～2)d，毛凸4的直径d＝(1～1/5)d1，毛凸间距5的值0≦δ≦d1-2d，如图3和4所示。

所述毛凸间距5由毛凸4决定，当毛凸4为一个时，毛凸间距5的值为δ＝0，此时毛凸4与毛球3为同一结构，称为单毛凸毛囊型微织构；当毛凸4的个数≧2时，毛凸间距5由毛凸4的个数和直径决定，称为多毛凸毛囊型微织构。

所述复合形貌可存在于基体材料1的全部或部分表面，根据不同基体材料1的性质、用途和复合工艺情况而定，毛囊型微形貌面积的占有率所述的面积占有率为毛根2的表面积与相邻形貌中心距l的平方的比值，l如图5所示。

所述高结合强度的毛囊型微织构的加工方法，包括以下步骤：

s1、对基体材料1的表面进行粗糙处理，适当的表面粗糙度既可以增加材料的结合面积又可以增加界面结合强度，一般基体材料表面轮廓的算术平均偏差为ra≦0.8μm或者1.0μm，轮廓的最大高度为rz≦1.6μm或3.2μm，特殊要求的基体材料则由复合性能和复合工艺决定；

s2、设计基体表面毛囊型形貌，根据复合材料的使用领域和结合强度，复合微形貌存在于基体材料1的全部或部分表面，形貌为单毛凸毛囊型或者多毛凸毛囊型；

s3、采用激光加工基体材料1表面的毛囊型微织构的毛根2和毛球3部分，具体的激光加工参数为：激光毛化的激光波长为532nm或者2×532nm，离焦量为[-1.2，1.2]mm，脉冲宽度0.5ms，脉冲频率1khz～10khz，能量密度为10⁴～10⁶w/cm²，激光加工角度与基体材料表面1法向呈0°～45°，加工完成后在基体材料表面1产生的表面硬化层厚度可以达到450μm左右；

s4、采用激光加工毛球3内毛凸4的初步形貌，进而采用一定浓度的腐蚀液对毛凸4进行横向腐蚀，对于一般的毛球3可以采用微米级定量注射器注入腐蚀液，对于较小的毛球3可以采用“液体力显微镜”注射器进行腐蚀液的定量注入；

s5、采用注射器注入腐蚀剂清洗液对毛凸4进行3～6次清洗；

s6、采用复合工艺将增强体材料融入或嵌入基体材料1的毛囊型微凹坑内，进行复合材料的制备。

实施例一：

一种带有毛囊型微织构的缓冲条的制备，如图7所示。基体材料1为金属骨架选用铝合金材料如图6-(1)，制备900×100×70的通用缓冲条。本案例选用的激光毛化机的激光波长为532nm，离焦量为[-1.2，1.2]mm，脉冲宽度0.5ms，脉冲频率1khz，能量密度为10⁴w/cm²，激光加工角度与基体材料表面法向呈0°。

加工图1中单毛凸毛囊型微织构，采用上述中的激光毛化技术在基体材料1铝合金表面加工出图6-(2)中的毛根2，毛根2的深度h＝100μm，毛根2的直径d＝200μm。

如图6-(3)所示为激光冲击/毛化，将底部采用激光毛化技术以氮气辅助进行融蚀汽化，毛球3的深度h1＝75μm，毛球3(毛凸4与毛球3为同一结构)的直径d＝200μm～220μm。选择丙酮将铝合金金属骨架清洗干净后加持在腐蚀装置上，用纯净水清洗，风干。25℃下采用医用针注入30％的硝酸腐蚀液对微织构进行横向腐蚀，腐蚀液停留90s～430s左右，再用纯净水清洗，风干，可扩充毛凸4的直径4μm～20μm，如图6-(4)所示。

采用热硫化复合技术将橡胶融入铝合金复合基体的毛囊型微凹坑中进行复合，冷却。

实施例二：

一种带有毛囊型微织构的缓冲条的制备，基体材料1为金属骨架选用钢材如图7-(1)，制备1220×100×70的矿下缓冲条。本案例采用的激光毛化机的激光波长为1064nm，离焦量为[-1.2，1.2]mm，脉冲宽度0.5ms，脉冲频率5khz，能量密度为10⁵w/cm²，辅助气体为氮气，激光加工角度与基体材料表面法向呈30°。

加工图2中多毛凸毛囊型微织构，选择处理后的钢金属骨架材料，采用上述中的激光毛化技术在钢材表面加工出图7-(2)中的毛根2，毛根2的深度h＝500μm，毛根2的直径d＝1mm。

如图7-(3)所示，将毛根底部采用激光毛化技术以氮气辅助进行融蚀汽化，毛球3的深度h1＝150μm，毛球3的直径1000μm左右，毛凸4的直径d＝200μm，毛凸4的个数为2个，毛凸间距5的值δ≦100μm。

如图7-(4)所示，25℃下采用医用针注入30％的硝酸腐蚀液对微织构进行横向腐蚀，停留210s～2105s，再用纯净水清洗，风干，可扩充毛凸4的直径10μm～100μm。

采用热硫化复合技术将橡胶融入钢材基体的毛囊型微凹坑中进行复合，冷却。

如上所述，在一个或多个实施例中，毛囊型微织构可根据需要对其基体和增强体的材料、复合工艺进行不同的设计。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。