一种基于激光孔阵原位生长TiO制造技术

本发明专利技术公开了一种基于激光孔阵原位生长TiO

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光孔阵原位生长TiO2纳米线的多功能仿生钛基表面及其制备方法
本专利技术属于材料表面处理
，具体涉及一种基于激光孔阵原位生长TiO2纳米线的多功能仿生钛基表面及其制备方法。
技术介绍
仿生材料的兴起，是大自然给予的启示。基于“荷叶效应”兴起的仿生超疏水表面的研发浪潮，推动了智能调控材料表面润湿性能的发展，赋予了材料多元化的功能及应用前景。研究表明，材料表面微观结构和化学物质是决定表面润湿性能的两大决定性因素。超疏水表面同时具有微纳米级的复合结构和特殊的低表面能物质，能有效减小表面与液滴的接触面积，呈现斥液性(疏水角>150°)；同时，表面污染物能在极低的倾斜角下被液滴带走，具有自清洁性(滚动角<10°)。超疏水表面优异的性能依赖于封存在微纳结构间的“空气垫”，当超疏水表面在水下服役时，其疏水功能通常会因“空气垫”的丧失而失效。因此，受鱼鳞启发而制备的水下超疏油表面应运而生，广泛应用于海洋船舶、水下设备防污和油水分离等领域。该类表面同样需具有微纳米级的复合结构，不过在表面化学物质的选择上则需要高表面能物质。由于金属表面绝大多数呈亲水性，表面能较高，因此只需通过在金属表面上加工出微纳米复合结构就能获得水下超疏油表面，是一种简单高效、具有广泛应用前景的金属表面改性方法。近年来，受猪笼草光滑叶边缘的启发，一种新型疏液表面开始引起研究者的兴趣。这类表面通过在材料表面构造多孔结构，并注入低表面能的润滑液，获得一种动态油膜覆盖的超滑表面。与上述类荷叶或鱼鳞功能表面不同的是，类猪笼草超滑表面与外界液滴的接触面是液-液界面，而非固-液界面，具有极低的滚动角。同时，当表面微结构受到局部破坏时，表面存在的动态润滑液能在毛细作用力驱动下，对受损区域进行自我修复。鉴于钛及钛合金具备良好的综合性能，如比强度高、耐腐蚀性强、生物相容性好等，在航天航空、管道运输、海洋工程、生物医疗等领域应用广泛，因此在钛合金上构造具有特殊润湿性的表面具有广泛的应用前景，已成为研究学者的关注热点。尽管目前具备特殊润湿性的金属表面很多，但如何维持其机械稳定性一直是亟需攻克的难关。激光加工技术因其加工图案多样性和高效性，被认为是构造兼具耐久性和特殊润湿性表面的最佳方法之一。专利CN104498957A公开了一种钛合金表面超疏水微纳结构的制备方法，采用飞秒激光构造了光栅型、井型和盲孔型的超疏水表面结构，但飞秒激光设备昂贵、加工效率低，不适用于大规模工业生产。专利CN110743760A、CN110983330A分别在激光刻蚀后的钛合金表面喷涂含ZnO和SiO2纳米粒子的有机溶液，获得了超疏水表面，但涂层存在强度低、易脱落的问题，限制了其工业应用。专利CN106865487A公开了一种液体注入型超滑表面及其激光精密微加工方法，该方法将润滑液注入具有乳突状结构的激光烧蚀钛合金表面，简单高效，但该表面结构不利于润滑液的储存。
技术实现思路
为了克服以上
技术介绍
中提到的缺陷和不足，本专利技术提供了一种基于激光孔阵原位生长TiO2纳米线的多功能仿生钛基表面及其制备方法。针对飞秒激光设备昂贵、加工效率低等问题，本专利技术采用纳秒激光对钛合金表面进行微结构的构建，在兼顾表面机械稳定性的前提下，降低设备成本、提高生产效率；同时，为解决涂层强度低、易脱落的问题，本专利技术采用水热法，在激光处理后的钛合金表面原位生长TiO2纳米线，该方法无需借助外界纳米粒子即可增强表面润湿性能，且工艺简单、成本较低。上述制备过程完成后，钛合金表面在空气中呈超亲水状态，在水下则呈超疏油状态；对其进行低表面能物质修饰后，表面转变为超疏水状态；进一步地，在低表面能物质修饰后进行润滑液的填充，该表面即转变为超滑表面。本专利技术中，对钛合金表面进行激光纳秒刻蚀与水热处理后，采取不同的后处理方式得到了不同类型的功能表面，在实际应用中具有广泛的适用性。本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。本专利技术提供的一种基于激光孔阵原位生长TiO2纳米线的多功能仿生钛基表面的制备方法，包括如下步骤：(1)以钛合金为基材，打磨，抛光处理后，采用纳秒激光加工的方法，在钛合金表面上构造出周期性六方排布的孔阵列图案，得到表面具有微米级凹凸结构的激光处理样品；(2)于水热反应釜中，将步骤(1)所述表面具有微米级凹凸结构的激光处理样品浸泡在碱性溶液中，密封，然后升温进行水热反应(利用水热反应在激光处理后表面原位生长TiO2纳米线)，取出样品，超声清洗，得到水热反应后的样品(所得样品表面为具有超亲水/水下超疏油特性的微纳复合结构表面)；(3)将步骤(2)所述水热反应后的样品浸泡在低表面能物质中进行化学改性，取出，干燥，得到具有超疏水特性的微纳复合结构表面的样品；(4)往步骤(3)所述具有超疏水特性的微纳复合结构表面的样品上添加润滑液，充分润湿，然后倾斜静置排出表面过量润滑液，所得样品表面为润滑液注入型超滑表面(基于激光孔阵原位生长TiO2纳米线的多功能仿生钛基表面)。进一步地，步骤(1)所述打磨为依次使用160#、500#、1000#、1500#和2000#SiC水磨砂纸进行打磨，至其表面平整。优选地，步骤(1)所述钛合金为TC4钛合金。进一步地，步骤(1)所述抛光处理包括：使用SiO2抛光液与H2O2溶液的混合液对钛合金的表面进行抛光处理，直至钛合金表面呈镜面状，然后分别使用无水乙醇和去离子水超声清洗，干燥；所述H2O2溶液的质量百分百浓度为30wt％；所述SiO2抛光液与H2O2溶液的体积比为1-2:1。优选地，所述使用无水乙醇和去离子水超声清洗的时间为10min。进一步地，步骤(1)所述纳秒激光加工的条件为：激光中心波长为1064nm，电流为30-34A，频率为20-40KHz，脉冲宽度为100-200nm，线扫速度为100-500mm/s，循环次数为1-4，扫描路径为弓字形，六方排列孔间距为45-60μm。优选地，步骤(1)所述纳秒激光加工的条件为：激光中心波长为1064nm，电流为30-34A，频率为30KHz，脉冲宽度为100nm，线扫速度为100mm/s，循环次数为1-4，扫描路径为弓字形，六方排列孔间距为45-60μm。进一步地，步骤(2)所述碱性溶液为NaOH溶液；所述碱性溶液的浓度为0.1-1mol/L。优选地，步骤(2)所述碱性溶液为NaOH溶液；所述碱性溶液的浓度为1mol/L。进一步地，步骤(2)所述水热反应的温度为200-250℃，水热反应的时间为8-10小时。进一步地，步骤(3)所述低表面能物质为肉豆蔻酸的乙醇溶液；所述肉豆蔻酸的乙醇溶液的浓度为1-5wt％；所述水热反应后的样品浸泡在低表面能物质中的时间为2-3小时。所述肉豆蔻酸的乙醇溶液为无氟低成本的溶液。优选地，所述肉豆蔻酸的乙醇溶液的浓度为5wt％。进一步地，步骤(3)所述干燥的温度为100-120℃，干燥的时间为1-1.5小时。进一步地，步骤(4)所述润滑液本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光孔阵原位生长TiO

【技术特征摘要】
1.一种基于激光孔阵原位生长TiO2纳米线的多功能仿生钛基表面的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)以钛合金为基材，打磨，抛光处理后，采用纳秒激光加工的方法，在钛合金表面上构造出周期性六方排布的孔阵列图案，得到表面具有微米级凹凸结构的激光处理样品；
(2)将步骤(1)所述表面具有微米级凹凸结构的激光处理样品浸泡在碱性溶液中，然后升温进行水热反应，取出样品，超声清洗，得到水热反应后的样品，所得样品表面为具有超亲水/水下超疏油特性的微纳复合结构表面；
(3)将步骤(2)所述水热反应后的样品浸泡在低表面能物质中进行化学改性，取出，干燥，得到具有超疏水特性的微纳复合结构表面的样品；
(4)往步骤(3)所述具有超疏水特性的微纳复合结构表面的样品上添加润滑液，充分润湿，然后倾斜静置排出表面过量润滑液，得到所述基于激光孔阵原位生长TiO2纳米线的多功能仿生钛基表面。


2.根据权利要求1所述的基于激光孔阵原位生长TiO2纳米线的多功能仿生钛基表面的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述打磨为依次使用160#、500#、1000#、1500#和2000#SiC水磨砂纸进行打磨，至钛合金表面平整。


3.根据权利要求1所述的基于激光孔阵原位生长TiO2纳米线的多功能仿生钛基表面的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述抛光处理包括：使用SiO2抛光液与H2O2溶液的混合液对钛合金的表面进行抛光处理，直至钛合金表面呈镜面状，然后分别使用无水乙醇和去离子水超声清洗，干燥；所述H2O2溶液的质量百分百浓度为30wt％；所述SiO2抛光液与H2O2溶液的体积比为1-2:1。


4.根据权利要求1所述的基于激光孔阵原位生长TiO2纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：高岩，洪小哲，胡惠祥，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44