[发明专利]一种低粗糙度的钛合金超疏水表面的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料表面处理领域，特别涉及一种在碱性溶液中利用电化学阳极氧化来制备钛合金超疏水表面的工艺方法。

背景技术

超疏水表面是指与水滴的接触角大于150°，滚动角小于10°的表面，具有自清洁、抗腐蚀、抗结冰、水流减阻等特性。超疏水表面应用于金属材料上，可以起到防污、防锈、防结冰的作用；应用于船舰外壳或管道内壁，可以有效减小与水流之间的摩擦阻力。钛合金具有重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀等特性，在航空、化工、运输、航海等许多工业中有着十分重要的应用。因此，将超疏水特性与钛合金本身特性相结合，制备钛合金超疏水表面有着极其重要意义。

目前，金属基体上超疏水表面是主要通过先构造表面微纳米粗糙结构，再用低表面能物质修饰来制备。就钛或钛合金而言，通常由化学方法或电化学方法制备表面粗糙结构，常用氟硅烷、硬脂酸、棕榈酸、月桂酸等来降低表面能。化学方法通常用酸腐蚀钛合金或用化学镀来构建粗糙结构，然后低表面能物质修饰制备超疏水表面。化学方法的优点是不需要特殊仪器设备，方法简单易行。但由于化学腐蚀与晶型有关，受晶格限制，而化学镀与材料表面活泼性相关，因此该方法对材料的限制较严，并且反应可控性较差。电化学方法一般是通过阳极刻蚀或阳极氧化制备粗糙结构，然后低表面能物质修饰制备超疏水表面。电化学方法的优点是受材料限制较小，易于产生纳米级粗糙结构，并且可控性较好。但由于阳极刻蚀的不均匀容易导致表面粗糙度Ra较大，一般粗糙度Ra约为1～3μm。阳极氧化则通常在酸性溶液或有机溶剂中进行，并且需要较长反应时间。如中国专利号CN102618913A公开了一种在NaCl或NaBr溶液中对钛或钛合金进行阳极刻蚀构建微纳米粗糙结构，氟硅烷修饰后制得超疏水表面的方法，该方法效率较高，但由于阳极刻蚀的不均匀容易导致表面粗糙度较大；Zhang等人在F.Zhang,S.Chen,L.Dong,Y.Lei,T.Liu,Y.Yin,Appl.Surf.Sci.2011,257,2587中，先将纯钛放入含有氟化铵的乙二醇溶液中进行5小时阳极氧化，再用低表面能物质修饰来制得超疏水钛表面，该方法加工时间长，效率较低；Lin等人在Y.K.Lai,C.J.Lin,J.Y.Huang,H.F.Zhuang,L.Sun,T.Nguyen,Langmuir.2008,24,3867中，利用电化学阳极氧化法制备超疏水钛表面，以铂金作为阴极，氢氟酸为电解液，由于铂金是贵重金属，使得该方法成本较高。

发明内容

本发明是为克服现有技术的不足，发明了一种通过阳极氧化来制备低粗糙度的钛合金超疏水表面的方法，该方法是先在碱性电解液中通过电化学阳极氧化在钛合金表面上构造微米级的孔洞结构，再利用低表面能物质修饰来制得超疏水表面。该发明简单易行、经济高效。

本发明采用的技术方案是一种低粗糙度的钛合金超疏水表面的制备方法，其特征是，制备方法通过在碱性溶液中电化学阳极氧化来制备低粗糙度的钛合金超疏水表面，方法的具体步骤如下：

1)将钛合金板3和石墨板7均切成20mm×30mm，但实际加工面积为20mm×20mm，剩余部分用作装夹和导电；先用#1500金相砂纸打磨钛合金，再将打磨后的钛合金分别放入丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗3min，以除去油污；

2)将作为阳极的钛合金板3和作为阴极的石墨板7，平行对称放置，并分别通过导线与直流电源1连接，钛合金接正极，石墨接负极；然后将阴极和阳极共同放入由NaOH和H2O2组成的碱性电解液4中，用10～15V恒定电压进行阳极氧化30～60min，氧化结束后将钛合金放入去离子水中超声清洗，吹干待用；

3)将被氧化的钛合金放入配置好的质量分数为1％的氟硅烷乙醇溶液中浸泡2h；取出后放入120℃烘箱中烘烤20min，冷却到室温，得到具有低粗糙度的钛合金超疏水表面。

本发明的有益效果是采用NaOH和H2O2均为普通化学试剂，并且只需三十分钟就能得到超疏水表面所需要的微观粗糙结构；制备的超疏水表面具有低的粗糙度和好的疏水性能，粗糙度Ra仅为0.669μm,对水滴的接触角为158.5°，滚动角为5.3°。工艺方法简单易行，无需复杂加工仪器和操作步骤，适宜大面积制备，经济高效。

附图说明

图1为加工装置示意图。其中：1-直流电源、2-夹具装置、3-钛合金板、4-电解液、5-磁力搅拌器、6-搅拌转子、7-石墨板、8-容器。

图2为制得的钛合金超疏水表面对水滴润湿性的示意图。θ和β分别为钛合金超疏水表面对水滴的接触角和滚动角，1-水滴、2-超疏水钛合金板