专利名称：提高金属部件表面防粘性能的方法
技术领域：
本发明涉及金属部件表面的防粘、减粘设计技术，特别是一种降低金属部件与各种粘性介质(如粘性土壤、粘性食物、煤炭、灰尘、油脂等)接触所产生的粘附现象，即提高金属部件表面防粘性能的方法。
背景技术：
金属部件与各种粘性介质之间接触所产生的粘附是一种普遍现象，其表现在两个方面，一是对于运动系统，粘性介质与部件表面间的粘附力构成滑动阻力和粘性介质对部件表面所产生的摩擦力，这样增加了部件工作时的能耗，降低生产效率。如石油输送管道，粘性油脂与输送管道内管壁长期接触，将产生粘附，增大石油输送阻力，堵塞管路，降低石油输送效率；二是当粘性介质与部件表面间所发生的粘附力大于其自身的内聚力时，将发生粘性介质在工作部件表面上的粘附积留现象，给生产、工作和生活带来不便，如炊具、厨具、卫具等。
目前，降低金属部件与各种粘性介质接触所产生粘附的方法有(1)在金属部件表面制备无机薄膜利用物理或化学方法如真空蒸镀、离子镀、溅射镀、离子交换、化学镀、化学气相沉积等在金属部件表面形成一定厚度的无机薄膜层；(2)在金属部件表面制备有机薄膜利用喷涂等方法将尼龙、聚丙烯、聚四氟乙烯、PVC、聚砜等在金属部件表面形成一定厚度的有机薄膜层；(3)将金属部件加工成非光滑表面或一定尺寸的粗糙表面。上述几种方法都有一定的减粘、防粘效果，但是在实际应用时又有一定的局限性。如在金属部件表面制备无机薄膜，周期长、成本高，减粘、防粘效果有限；在金属部件表面制备有机薄膜，其减粘、防粘效果最为明显，但大量有机挥发物质已成为大气污染的主要源头之一。将金属部件加工成非光滑表面或一定尺寸的粗糙表面，只能起到脱附、减粘作用而不能防粘。如何降低金属部件与各种粘性介质接触所产生的粘附，在金属部件表面实现减粘、防粘功能，是研究人员追求的一个永恒目标，也是国际研究热点。
发明内容
本发明的目的是提出一种提高金属部件表面防粘性能的方法，该方法是通过对金属部件表面进行仿生改性、改型设计，降低金属部件与各种粘性介质接触所产生的粘附，在金属部件表面实现减粘、防粘功能。作为一种功能表面，本发明可以广泛应用于炊具、厨具、卫具、飞机、汽车、卫星天线、雷达的保洁表面、石油化工领域内管壁修饰等表面要求防粘、自清洁的金属部件。
本发明是通过对大量生物(陆上、水中、空中动物以及植物叶子等)体表所具有的减粘、防粘和自清洁功能观察和研究发现，其体表与含水量过饱和的粘性介质接触，其体表上的水会迅速脱掉，表现出很强的疏水性能，表明其体表物质与水分子之间的引力很小，这是生物体表具有防粘功能的重要原因之一。研究发现，蜣螂背板体壁由腊质层、表皮、结缔组织的胶原纤维组成。腊质层位于体壁表面，起到润滑作用，使得其具有减粘、防粘的特性。具有憎水性的植物叶子表面主要化学成分是多元醇、多元醛、多元酸，其分子式CH-(CH2)n-OH、CH-(CH2)n-COH、CH-(CH2)n-COOH，具有疏水基团，表现出明显的憎水特性。对生物表面的减粘、防粘和自清洁功能现象进一步研究发现，具有减粘、防粘和自清洁功能的生物，其体表均呈非光滑形态。生物体表不是光滑的，而是呈现微米尺度凸起结构非光滑形态，在表面微米尺度凸起结构上还存在纳米结构，表面同时存在低能材料。表层低能材料实质上是由纳米结构构成的复合层。生物体表这种微米尺度凸起结构、纳米结构和表层低能材料的耦合是表面具有减粘、防粘和自清洁功能的主要原因。由此，通过试验研究提出了本发明方法。
本发明方法是将金属部件表面制成分布有微米尺度的凸包或凹坑的非光滑表面，并在其凸包或凹坑的表面上通过物理或化学方法复合一层颗粒尺寸为30-120纳米的Al2O3、TiO2或SiO2层；所说的凸包或凹坑的高度或深度为20-400μ、直径20-400μ。
所述的Al2O3、TiO2或SiO2复合层的厚度为20-600μ。
所述的微米尺度的凸包或凹坑的分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比为10-60％。
所说的微米尺度的凸包或凹坑呈球冠型，亦可加工成六方型、圆柱型、正方形、菱形、长方形。
按本发明方法制成的仿生减粘、防粘功能表面达到的技术指标为如果金属部件表面仅仅制备成非光滑表面或一定尺寸的粗糙表面，或镀覆一纳米层，具有一定的脱附和减粘效果，但作用有限。当金属部件表面制成具有微米尺度的凸包或凹坑并在其凸包或凹坑表面镀覆一层纳米结构的Al2O3、TiO2或SiO2复合层之金属表面，则具有明显减粘、防粘效果，当水滴与其表面接触，接触角可以达到105°-140°，水滴可以在金属部件表面自由滚动，不留下残余痕迹；将金属部件表面加热到140-170℃，在其表面放入新鲜鸡蛋，不加植物性食用油或其他脂肪油，待蛋白凝固，鸡蛋与金属部件表面完全分离。
具体实施例方式
就以下给出的实施例对本发明内容进一步详细说明。
实施例1按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，材质为碳钢，在其表面制成分布有微米尺度凸包的非光滑表面。微米尺度凸包呈球冠状，其高度20μ，直径80μ，凸包的分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比为10％；采用电沉积技术在凸包表面镀覆一纳米层，纳米颗粒为Al2O3，颗粒尺寸为30纳米。按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，水滴与其表面接触，接触角可以达到135°-140°，水滴可以在部件表面自由滚动，不留下残余痕迹；将部件表面加热到140-170℃，在其表面放入新鲜鸡蛋，不加植物性食用油或其他脂肪油，待蛋白凝固，鸡蛋与部件表面完全分离。
实施例2
按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，材质为碳钢，在其表面制成分布有微米尺度凸包的非光滑表面。微米尺度凸包呈球冠状，其高度100μ，直径200μ，凸包的分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比为30％；采用电沉积技术在其表面镀覆一纳米层，纳米颗粒为Al2O3，颗粒尺寸为80纳米。按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，水滴与其表面接触，接触角可以达到118°-125°，水滴可以在部件表面自由滚动，不留下残余痕迹；将部件表面加热到140-170℃，在其表面放入新鲜鸡蛋，不加植物性食用油或其他脂肪油，待蛋白凝固，鸡蛋与部件表面完全分离。
实施例3按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，材质为碳钢，在其表面制成分布有微米尺度凸包的非光滑表面。微米尺度凸包呈球冠状，高度200μ，直径400μ，凸包的分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比为60％；采用电沉积技术在其表面镀覆一纳米层，纳米颗粒为Al2O3，颗粒尺寸为120纳米。按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，水滴与其表面接触，接触角可以达到105°-110°，水滴可以在部件表面自由滚动，不留下残余痕迹；将部件表面加热到140-170℃，在其表面放入新鲜鸡蛋，不加植物性食用油或其他脂肪油，待蛋白凝固，鸡蛋与部件表面完全分离。
实施例4按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，材质为碳钢，在其表面制成分布有微米尺度凸包的非光滑表面。微米尺度凸包呈球冠状，高度20μ，直径400μ，凸包的分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比为60％；采用电沉积技术在其表面镀覆一纳米层，纳米颗粒为Al2O3，颗粒尺寸为30纳米。按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，水滴与其表面接触，接触角可以达到115°-120°，水滴可以在部件表面自由滚动，不留下残余痕迹；将部件表面加热到140-170℃，在其表面放入新鲜鸡蛋，不加植物性食用油或其他脂肪油，待蛋白凝固，鸡蛋与部件表面完全分离。
实施例5按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，材质为碳钢，在其表面制成分布有微米尺度凸包的非光滑表面。微米尺度凸包呈球冠状，高度300μ，直径400μ，凸包的分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比为60％；采用电沉积技术在其表面镀覆一纳米层，纳米颗粒为TiO2，颗粒尺寸为120纳米。按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，水滴与其表面接触，接触角可以达到115°-120°，水滴可以在部件表面自由滚动，不留下残余痕迹；将部件表面加热到140-170℃，在其表面放入新鲜鸡蛋，不加植物性食用油或其他脂肪油，待蛋白凝固，鸡蛋与部件表面完全分离。
实施例6按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，材质为碳钢，在其表面制成分布有微米尺度凹坑的非光滑表面。微米尺度凹坑呈球冠状，其深度为度100μ，直径400μ，凹坑的分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比为30％；采用电沉积技术在其表面镀覆一纳米层，纳米颗粒为SiO2，颗粒尺寸为80纳米。按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，水滴与其表面接触，接触角可以达到120°-125°，水滴可以在部件表面自由滚动，不留下残余痕迹；将部件表面加热到140-170℃，在其表面放入新鲜鸡蛋，不加植物性食用油或其他脂肪油，待蛋白凝固，鸡蛋与部件表面完全分离。
实施例7按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，材质为碳钢，在其表面制成分布有微米尺度凹坑的非光滑表面。微米尺度凹坑呈球冠状，深度100μ，直径200μ，凹坑的分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比为30％；采用电沉积技术在其表面镀覆一纳米层，纳米颗粒为Al2O3，颗粒尺寸为80纳米。按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，水滴与其表面接触，接触角可以达到118°-125°，水滴可以在部件表面自由滚动，不留下残余痕迹；将部件表面加热到140-170℃，在其表面放入新鲜鸡蛋，不加植物性食用油或其他脂肪油，待蛋白凝固，鸡蛋与部件表面完全分离。
实施例8按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，材质为碳钢，在其表面制成分布有微米尺度凹坑的非光滑表面。微米尺度凹坑呈球冠状，深度100μ，直径400μ，凹坑的分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比为60％；采用电沉积技术在其表面镀覆一纳米层，纳米颗粒为TiO2，颗粒尺寸为120纳米。按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，水滴与其表面接触，接触角可以达到115°-120°，水滴可以在部件表面自由滚动，不留下残余痕迹；将部件表面加热到140-170℃，在其表面放入新鲜鸡蛋，不加植物性食用油或其他脂肪油，待蛋白凝固，鸡蛋与部件表面完全分离。
实施例9按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，材质为铜合金，在其表面制成分布有微米尺度圆柱型凸包的非光滑表面。圆柱型凸包高度400μ，直径20μ，凸包的分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比为60％；采用电沉积技术在其表面镀覆一纳米层，纳米颗粒为TiO2，颗粒尺寸为120纳米。按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，水滴与其表面接触，接触角可以达到125°-130°，水滴可以在部件表面自由滚动，不留下残余痕迹；将部件表面加热到140-170℃，在其表面放入新鲜鸡蛋，不加植物性食用油或其他脂肪油，待蛋白凝固，鸡蛋与部件表面完全分离。
实施例10按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，材质为铜合金，在其表面制成分布有微米尺度圆柱型凸包的非光滑表面。圆柱型凸包高度400μ，直径100μ，凸包的分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比为40％；采用电沉积技术在其表面镀覆一纳米层，纳米颗粒为TiO2，颗粒尺寸为60纳米。按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，水滴与其表面接触，接触角可以达到127°-133°，水滴可以在部件表面自由滚动，不留下残余痕迹；将部件表面加热到140-170℃，在其表面放入新鲜鸡蛋，不加植物性食用油或其他脂肪油，待蛋白凝固，鸡蛋与部件表面完全分离。
实施例11按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，材质为铜合金，在其表面制成分布有微米尺度圆柱型凸包的非光滑表面。圆柱型凸包高度20μ，直径400μ，凸包的分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比为40％；采用电沉积技术在其表面镀覆一纳米层，纳米颗粒为Al2O3，颗粒尺寸为60纳米。按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，水滴与其表面接触，接触角可以达到132°-138°，水滴可以在部件表面自由滚动，不留下残余痕迹；将部件表面加热到140-170℃，在其表面放入新鲜鸡蛋，不加植物性食用油或其他脂肪油，待蛋白凝固，鸡蛋与部件表面完全分离。
实施例12按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，材质为铝合金，在其表面制成分布有微米尺度圆柱型凸包的非光滑表面。圆柱型凸包高度20μ，直径400μ，凸包的分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比为40％；采用电沉积技术在其表面镀覆一纳米层，纳米颗粒为Al2O3，颗粒尺寸为60纳米。按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，水滴与其表面接触，接触角可以达到110°-115°，水滴可以在部件表面自由滚动，不留下残余痕迹；将部件表面加热到140-170℃，在其表面放入新鲜鸡蛋，不加植物性食用油或其他脂肪油，待蛋白凝固，鸡蛋与部件表面完全分离。
实施例13按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，材质为铝合金，在其表面制成分布有微米尺度圆柱型凸包的非光滑表面。圆柱型凸包高度400μ，直径400μ，凸包的分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比为40％；采用电沉积技术在其表面镀覆一纳米层，纳米颗粒为Al2O3，颗粒尺寸为60纳米。按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，水滴与其表面接触，接触角可以达到117°-122°，水滴可以在部件表面自由滚动，不留下残余痕迹；将部件表面加热到140-170℃，在其表面放入新鲜鸡蛋，不加植物性食用油或其他脂肪油，待蛋白凝固，鸡蛋与部件表面完全分离。
实施例14按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，材质为铝合金，在其表面制成分布有微米尺度球冠型凸包的非光滑表面。球冠型凸包高度20μ，直径50μ，凸包的分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比为60％；采用电沉积技术在其表面镀覆一纳米层，纳米颗粒为Al2O3，颗粒尺寸为60纳米。按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，水滴与其表面接触，接触角可以达到125°-130°，水滴可以在部件表面自由滚动，不留下残余痕迹；将部件表面加热到140-170℃，在其表面放入新鲜鸡蛋，不加植物性食用油或其他脂肪油，待蛋白凝固，鸡蛋与部件表面完全分离。
实施例15按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，材质为铸铁合金，在其表面制成分布有微米尺度圆柱型凸包的非光滑表面。圆柱型凸包高度400μ，直径20μ，凸包的分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比为10％；采用电沉积技术在其表面镀覆一纳米层，纳米颗粒为SiO2，颗粒尺寸为120纳米。按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，水滴与其表面接触，接触角可以达到121°-126°，水滴可以在部件表面自由滚动，不留下残余痕迹；将部件表面加热到140-170℃，在其表面放入新鲜鸡蛋，不加植物性食用油或其他脂肪油，待蛋白凝固，鸡蛋与部件表面完全分离。
实施例16按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，材质为铸铁合金，在其表面制成分布有微米尺度圆柱型凸包的非光滑表面。圆柱型凸包高度400μ，直径200μ，凸包的分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比为40％；采用电沉积技术在其表面镀覆一纳米层，纳米颗粒为SiO2，颗粒尺寸为120纳米。按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，水滴与其表面接触，接触角可以达到131°-136°，水滴可以在部件表面自由滚动，不留下残余痕迹；将部件表面加热到140-170℃，在其表面放入新鲜鸡蛋，不加植物性食用油或其他脂肪油，待蛋白凝固，鸡蛋与部件表面完全分离。
实施例17按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，材质为铸铁合金，在其表面制成分布有微米尺度凸包的非光滑表面。微米尺度凸包呈球冠状，高度100μ，直径200μ，凸包的分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比为30％；采用电沉积技术在其表面镀覆一纳米层，纳米颗粒为Al2O3，颗粒尺寸为80纳米。按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，水滴与其表面接触，接触角可以达到118°-125°，水滴可以在部件表面自由滚动，不留下残余痕迹；将部件表面加热到140-170℃，在其表面放入新鲜鸡蛋，不加植物性食用油或其他脂肪油，待蛋白凝固，鸡蛋与部件表面完全分离。
实施例18按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，材质为铸铁合金，在其表面制成分布有微米尺度凹坑的非光滑表面。微米尺度凹坑呈球冠状，深度100μ，直径400μ，凹坑的分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比为30％；采用电沉积技术在其表面镀覆一纳米层，纳米颗粒为SiO2，颗粒尺寸为80纳米。按本发明方法设计加工的具有仿生减粘、防粘功能表面部件，水滴与其表面接触，接触角可以达到120°-125°，水滴可以在部件表面自由滚动，不留下残余痕迹；将部件表面加热到140-170℃，在其表面放入新鲜鸡蛋，不加植物性食用油或其他脂肪油，待蛋白凝固，鸡蛋与部件表面完全分离。
权利要求
1.一种提高金属部件表面防粘性能的方法，其特征是将金属部件表面制成分布有微米尺度的凸包或凹坑的非光滑表面，并在其凸包或凹坑的表面上通过物理或化学方法复合一层颗粒尺寸为30-120纳米的Al2O3、TiO2或SiO2层；所说的凸包或凹坑的高度或深度为20-400μ、直径20-400μ。
2.根据权利要求1所述的提高金属部件表面防粘性能的方法，其特征在于所述的Al2O3、TiO2或SiO2复合层的厚度为20-600μ。
3.根据权利要求1所述的提高金属部件表面防粘性能的方法，其特征在于所述的微米尺度的凸包或凹坑的分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比为10-60％。
4.根据权利要求1所述的提高金属部件表面防粘性能的方法，其特征在于所说的微米尺度的凸包或凹坑呈球冠型、六方型、圆柱型、正方形、菱形或长方形。
全文摘要
本发明涉及金属部件表面的防粘、减粘设计技术，特别是一种降低金属部件与各种粘性介质接触所产生的粘附现象，即提高金属部件表面防粘性能的方法。本发明方法是将金属部件表面制成分布有微米尺度的凸包或凹坑的非光滑表面，并在其凸包或凹坑的表面上通过物理或化学方法复合一层颗粒尺寸为30－120纳米的Al
文档编号C23C14/02GK1827838SQ200610016700
公开日2006年9月6日 申请日期2006年3月24日 优先权日2006年3月24日
发明者任露泉, 王宏占, 邱小明, 张桂兰, 崔占荣, 刘杰, 卢广林, 郭蕴纹, 王志杰 申请人:吉林大学