[发明专利]一种超疏水性非晶态合金表面微结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于非晶态合金表面微结构的超疏水性领域，涉及一种非晶态合金表面可控微结构的制备方法。

背景技术

基于超疏水原理的自清洁表面由于其独特的表面微观结构和优异的超疏水性能，使雨水、冰雪等难以在其表面附着，在建筑玻璃、汽车和飞机挡风玻璃、卫星天线、高压电线，机车和飞机涂装等方面具有重要应用前景。人工制备超疏水表面的关键在于建构合适的表面微结构。目前所制备的用于超疏水的表面微结构都是基于高分子材料，这些高分子表面微结构不仅具有低的机械强度、与基体结合力差，而且其疏水性能在长期使用过程中会因聚集杂物而减弱甚至消失，同时制备工艺复杂，成本昂贵且不可控制，这极大的限制了其应用。

因此，十分有必要开发出具有超疏水性的金属表面微结构。但晶态金属材料具有较高的表面能，且难以加工成具有微纳尺度的表面微结构，无法获得超疏水性表面。相比之下，非晶态金属材料(简称非晶态合金)所具有的一系列优点，使其成为表面微纳结构成形的理想材料。首先，非晶态合金在原子尺度上具有结构均匀性，成形极限最小可达13nm，能满足微纳尺度加工要求。其次，非晶态合金在微纳尺度下仍能保持较晶态金属材料更加优异的机械性能，使用寿命长。第三，非晶态合金在过冷液态区(温度升至玻璃转变温度与晶化温度之间区域)具有超塑性，成形温度低，成形力小，可加工性好。

采用热压成形技术，在非晶态合金表面压印成形出形状、尺寸及分布可控的表面微结构，获得具有超疏水性的金属表面。在航天航空、国防军事以及工业生产等领域具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提出一种超疏水性非晶态合金表面微结构的制备方法，利用热压成形法，在非晶态合金表面制备出形状、尺寸及分布可控的微结构，从而获得具有超疏水性的非晶态合金表面。

本发明的技术方案如下：

一种超疏水性非晶态合金表面微结构的制备方法，该方法具体包括如下步骤：

(1)设计微结构二维矢量图

根据Cassie状态与Wenzel状态转变理论，设计出形状、尺寸及分布不同的微结构二维矢量图；

(2)硅模制备

根据所设计的微结构二维矢量图，加工掩膜板，采用深反应离子蚀刻技术，在单晶硅片上蚀刻出所设计微结构的阴母模；

(3)非晶态合金样品制备

将金属原料按照一定原子比进行配比，然后在真空条件下电弧/感应熔炼，再采用铜模吸铸/喷铸法制备出一定尺寸的非晶态合金样品；

(4)成形夹具设计、加工及样品放置

设计并及加工热压成形表面微结构所需的夹具。在夹具中依次放置硅模、非晶态合金样品和压头；

(5)非晶态合金表面微结构的热压成形

将电子力学实验机升温至设定温度，待温度稳定后，将放置好样品的夹具放入设备测试平台，在一定速率条件下进行热压成形；

(6)冷却脱模

热压成形结束后，将夹具取出放置在水中冷却，取出成形体(机械结合在一起的硅模及非晶态合金样品)并放入碱性溶液中，待硅完全溶解后，得到表面具有三维微结构的非晶态合金；

(7)超疏水性能表征

采用接触角仪对热压成形的非晶态合金表面进行接触角测试，观察水在具有不同微结构非晶合金表面的最大静态接触角。

作为本发明的进一步改进，所述的非晶态合金为Pd-、Pt-、Au-、Zr-、或Ti-基等非晶态合金。

作为本发明的进一步改进，所用金属材料为Pd-基非晶态合金。

作为本发明的进一步改进，所述的表面微结构形状包括柱状、蜂窝状及针尖状。

作为本发明的进一步改进，所述的微结构尺度包括纳米、微米及微米-纳米复合结构。

本发明的方法制备的非晶态合金表面微结构，形状、尺寸及分布可控，具有超疏水性，在航天航空、国防军事以及工业生产等领域具有重要的应用价值。

附图说明

图1为表面光滑的Pd基非晶态合金表面的静态接触角图。

图2为设计的微结构平面图。

图3为深反应离子蚀刻制备的微结构阴母模SEM图。

图4为设计的用于热压成形表面微结构的夹具示意图。

图5为热压成形蜂窝状表面微结构的SEM图。

图6为水滴在非晶态合金表面微结构的静态接触角图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

一种基于非晶态合金表面可控微结构的超疏水性技术，包括如下步骤：