[发明专利]具有微尺度自驱动滴状冷凝功能的新型铝材及其制备方法

说明书

技术领域

本发明特别涉及一种铝或铝合金表面功能纳米结构及其制备工艺，属于材料科学领域。

背景技术

众所周知，露滴在器件表面的生长和滞留使其导热性能大大降低，并导致器件绝缘性能下降引发短路故障，同时还会加重金属表面腐蚀和微生物污染，缩短器件的工作寿命。研究表明，通过改变材料表面的润湿性使其在凝露过程中形成膜状冷凝或滴状冷凝可以抑制或消除凝露带来的上述危害。目前，膜状冷凝已经被广泛地应用于工业生产中，它使材料表面与冷凝液具有很好的润湿性，使冷凝液通过膜状流动脱离材料表面。然而，膜状冷凝中液体仍然与材料表面密切接触，因此对换热效率的提高有限，并且在温度低于冰点时还会加速表面结霜，使器件的换热效率急剧降低。据理论计算，具有微尺度自驱动滴状冷凝性能材料表面的换热效率是膜状冷凝的数倍。最近，美国杜克大学的陈传华教授等报道了超疏水微纳复合阵列结构硅表面在冷凝中微液滴融合释放表面能而导致的自驱动弹离过程，在外力如风、抖动或一定倾斜角度的情况下，凝结的微液滴可以融合为较大的液滴离开表面。进一步，当温度低于冰点时，形成的过冷微液滴仍能够保持自驱动弹离而阻止霜的大面积形成。然而如何在铝及其合金表面实现微液滴自驱动滴状冷凝功能还是尚未解决的难题。

铝及其合金由于具有质量轻、比强度高、导电导热性好、价格适中、易加工等优点，而被广泛应用于空调散热器、汽车散热器、电缆等领域。很显然，超亲水铝及其合金表面冷凝过程具有优异的水收集功能，而超疏水铝及其合金表面具有微尺度自驱动滴状冷凝功能将可以同时实现抗凝露、抗结霜、抗结冰、耐腐蚀、自清洁，因而具有重要的经济效益和社会效益。尚处于研究阶段的各种铝及其合金超疏水表面的制备技术有很多，如喷砂处理法、等离子体法、化学刻蚀法、热氧化法、电化学腐蚀法、阳极氧化法等。虽然经过这些处理得到的仿荷叶微纳复合结构经修饰后对于宏观大液滴具有非常好的超疏水性能，但由于结构单元取向杂乱，很容易被微液滴浸润间隙从而失去超疏水性能。比如，荷叶在低温下凝露，其超疏水性能很快就会由于冷凝微液滴进入结构的间隙而下降。然而，在实际应用当中（如空调换热翅片），往往需要微液滴迅速脱离表面，相关研究尚未见诸报道。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种具有微尺度自驱动滴状冷凝功能的新型铝材，使铝或铝合金具有优异抗微液滴黏附性能和水收集能力。

本发明的另一目的在于提供一种制备前述具有微尺度自驱动滴状冷凝功能的新型铝材方法。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种具有微尺度自驱动滴状冷凝功能的新型铝材，所述新型铝材表面分布有复数个纳米孔，任一纳米孔顶部环绕分布有复数个纳米突出结构，并且，所述纳米孔在所述纳米突起结构处相互连通，以及

所述新型铝材表面还修饰有低表面能物质。

作为较为优选的实施方式之一，所述纳米孔的平均深度在100 nm以上。

作为较为优选的实施方式之一，所述纳米突出结构直径为20-200 nm，相邻纳米突起结构的间距为20-300 nm。

一种具有微尺度自驱动滴状冷凝功能的新型铝材的制备方法，包括：

（1）取阴极和主要由铝材构成的阳极置于体积百分数浓度为0.1-40%的常温酸性电解液中，形成氧化体系，并在阴极和阳极之间施加氧化电压，进行氧化反应，所述酸性电解液包括酸与水和/或能够溶解所述酸的醇形成的混合溶液，所述酸包括硫酸、草酸、磷酸、丙二酸或柠檬酸；

（2）在氧化反应开始时，氧化体系内的电流密度控制在2-40 mA/cm²，反应时间控制0 s以上；

（3）以5 V/s-0.5 V/100s的速率使氧化电压上升，直至氧化体系中的电流强度为0.4-5A，维持该电流强度反应0 s以上，使铝材表面形成复数个纳米孔，并使其中任一纳米孔顶部均环绕分布有复数个纳米突出结构，且使各纳米孔在所述纳米突起结构处相互连通； 

（4）以低表面能物质对铝材表面进行修饰，使其具有微尺度自驱动滴状冷凝功能。

前述低表面能物质可选自但不限于氟硅烷、硅氧烷、聚四氟乙烯、硅烷偶联剂、高级脂肪酸等。

前述阴极材料可以是铂、石墨、镍、铝等，且不限于此。

与现有技术相比，本发明至少具有如下优点：