一种具有火山口状阵列的微纳结构及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及一种具有火山口状阵列的微纳结构及其制备方法和应用。


背景技术：

2.超疏水表面材料凭借其超强的疏水性，使得其具有一系列的应用价值，例如：雨具、医疗器械和自清洁车窗，但是，现有的大部分超疏水表面材料面临着机械稳定性、差不耐磨，易被尖锐物体破坏的缺点，如何提高超疏水表面材料整体的机械稳定性和抗冲击性成为难点。
3.低温冷表面的结冰问题广泛涉及到航空航天、风力、光伏发电、制冷、交通运输和电力通信等重要工业领域，除了工业领域外，低温冷表面的结冰问题也与人们的日常生活密切相关；表面结冰不仅会降低设备的性能及运行效率，严重时甚至威胁到人们的生命和财产安全；因此，具有微纳米级结构的超疏水表面作为一种被动的抗结冰方法，以其成本低、耗能小、系统结构简单且易于实施等优点，引起了广泛的关注，成为近年来的研究热点，然而，超疏水表面材料的缺点在低温的情况下尤为明显。
4.参见图1和图2所示，现有的具有超疏水特性的结构在基底表面布满非常多微小的凸起，这些大大小小的凸起一个挨一个形成隆起的“小山包”，“小山包”之间的凹陷部分充满空气，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄，只有纳米级厚的空气层，然而水滴最小直径为1
‑
2毫米，只能同叶面上“小山包”的顶端形成几个点的接触，从而不能浸润到材料表面上，使得水滴在自身的表面张力作用下形成球状体，从材料表面滚落。
5.然而，也有很多学者对其抗结冰性能提出了质疑，指出：超疏水表面在低温高湿环境下的机械稳定性及抗冲击性差。
6.因此，如何提高超疏水表面在低温高湿环境下的机械稳定性及抗冲击性成为更加棘手的难题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种具有火山口状阵列的微纳结构及其制备方法和应用。
8.本发明解决其技术问题所采用的一种技术方案是：
9.一种具有火山口状阵列的微纳结构，其包括基底和分布在所述基底上的若干个复合结构单元，所述复合结构单元包括实心圆台本体，所述实心圆台本体的上底面开设有盲孔。
10.在另一较佳实施例中，所述若干个复合结构单元呈行列矩阵排列的方式或错位排列的方式分布在所述基底上。
11.在另一较佳实施例中，相邻的复合结构单元的间距为0。
12.在另一较佳实施例中，所述盲孔包括一具有圆形开口的空腔，所述空腔为柱形空腔、圆台形空腔和倒圆台形空腔中的其中一种、两种或多种，所述空腔的圆形开口的直径为
50
‑
80微米，所述空腔的高度为30
‑
50微米。
13.在另一较佳实施例中，所述实心圆台本体的高度为200
‑
400微米，下底面的直径为200
‑
250微米，上底面直径为80
‑
100微米。
14.在另一较佳实施例中，所述基底是平面基底或曲面基底。
15.在另一较佳实施例中，所述复合结构单元的材料为金属材料。
16.在另一较佳实施例中，所述复合结构单元的材料为合金材料。
17.在另一较佳实施例中，所述表面微纳结构应用于低温环境中。
18.本发明解决其技术问题所采用的另一种技术方案是：
19.一种具有火山口状阵列的微纳结构的制备方法，包括以下步骤：
20.步骤一：对基底的表面进行清洗，得到洁净的基底；
21.步骤二：将所述基底分为若干个单位区域，所述单位区域的内包括同心的所述实心圆台本体的上底面和下底面的圆，采用激光器在单位区域中对除了实心圆台本体的上底面的圆以外的区域进行扫描加工，形成实心圆台本体的上底面；
22.步骤三：降低所述激光器的扫描加工速度，采用激光器在单位区域中对除了实心圆台本体的下底面的圆以外的区域进行扫描加工，形成实心圆台本体的台体；
23.步骤四：采用激光器对形成的实心圆台本体的上底面的圆心进行单点加工，形成盲孔；
24.步骤五：在各个单位区域中重复上述步骤二至步骤四，从而在所述基底上形成若干个复合结构单元。
25.本发明的有益效果是
26.1、采用复合结构单元，所述实心圆台本体上的上底面开设盲孔，过冷环境下，将水滴置于具有火山口状阵列的微纳结构的表面时，复合结构单元所起的作用分析如下：复合结构单元的上表面面积小，可明显降低表面的固体和液体之间的接触面积，并有效防止水滴的浸润，从而截留一定的空气，在开设盲孔的基底材料和水滴间形成密闭的空气腔，空气腔具有较高的热阻，可以有效降低表面与冷凝水滴的固体和液体之间的热交换效率，使表面呈现强的防结冰性；复合结构单元的共同作用使加工后的表面即使受到动态的压力冲击后，表面仍能保持一定的结构稳定性，与传统的具有超疏水特性的结构单元相比，具有火山口状阵列的微纳结构在高度相同的情况下拥有更大的固体体积，可以承受更大的切向载荷和法向载荷，所以具有更强的结构强度，在复合结构单元受到超过机械载荷的冲击被破坏时，盲孔处的结构会先行被破坏，而不会直接导致实心圆台本体整个结构受力断裂；上述效应的共同作用可增加过冷水在具有火山口状阵列的微纳结构上的结冰时间，使得具有火山口状阵列的微纳结构具有很强的抗结冰性能，能够应用于低温环境中，可应用在需要抗冻的场景之中，同时拥有较好的机械稳定性和抗冲击性，使得其能够应用在工作环境震动幅度大，容易出现碰撞的应用场景之中，例如越野车的壳体材料中，不仅整体上提高了材料的机械稳定性及抗冲击性，还针对低温的环境提高其抗结冰的性能，保证了材料在恶劣条件中的良好性能。
27.2、采用激光加工,可以批量生产，能够实现自动化生产，生产效率高；生产加工参数可制定统一标准，生产步骤可指定sop，生产能够实现标准化，成品具有统一标准，质量可靠；生产过程中无需直接接触基底，能够实现无接触加工，不会对基底产生冲击，避免生产
过程中的接触影响产品质量；根据实际的生产需求可通过电脑对激光的加工参数进行精确调节，满足不同的生产需求，可对接不同的市场乃至客户的需求。
28.以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种具有火山口状阵列的微纳结构及其制备方法和应用不局限于实施例。
附图说明
29.图1是现有技术的具有超疏水特性的结构示意图；
30.图2是图1中a部分的放大示意图；
31.图3是实施例一的结构示意图；
32.图4是图3中b部分的放大示意图；
33.图5是实施例一的复合结构单元的结构示意图；
34.图6是实施例一的制备方法的步骤二的激光扫描路径示意图；
35.图7是实施例一的制备方法的步骤三的激光扫描路径示意图；
36.图8是实施例一的表面结构的sem图；
37.图9是实施例一的复合结构单元的sem图；
38.图10是实施例二的复合结构单元的结构示意图；
39.图11是实施例三的复合结构单元的结构示意图；
40.图12是实施例四的复合结构单元的排布示意图。
具体实施方式
41.实施例一，参见图3至图5所示，本发明的一种应用于抗冻场景中的具有火山口状阵列的微纳结构，其包括平面基底10和分布在所述平面基底10上的若干个复合结构单元，所述若干个复合结构单元呈行列矩阵分布在所述平面基底10上，相邻的复合结构单元的间距为0，所述复合结构单元的材料为tc4钛合金材料，所述复合结构单元包括实心圆台本体21，所述实心圆台本体21上的上底面开设有盲孔22，所述盲孔22包括具有圆形开口的柱形空腔23，所述圆形开口的直径为65微米，所述柱形空腔23的高度为40微米，所述实心圆台本体21的高度为300微米，下底面的直径为225微米，上底面直径为90微米。
42.参见图6至图9所示，实施例一的制备方法包括以下步骤：
43.步骤一：将tc4钛合金的平面基底10清洗，使用去离子水和乙醇先后对平面基底10表面进行冲洗，将冲洗过的平面基底10放入超声波清洗机中进行清洗，清洗约10分钟，再用去离子水对平面基底10进行冲洗，冲洗后将平面基底10晾干，具体为放置于50℃的加热台上晾干，得到洁净的平面基底10。
44.步骤二：采用波长为355纳米，功率为5瓦的纳秒脉冲激光器，对步骤一所述的洁净的平面基底10进行加工，所述激光器的脉冲宽度小于15纳秒，重复频率为150千赫兹，所述激光器的扫描路径通过电脑设定，并通过电脑提供的信号以控制x
‑
y振镜系统实现，将所述平面基底10分为若干个以行列矩阵分布的单位区域，本实施例采用的单位区域为正方形网格，也可根据实际需求采用圆形、矩形或者其他形状的单元区域，所述单位区域的内包括同心的所述实心圆台本体21的上底面和下底面的圆，采用激光器在单位区域中对除了实心圆台本体21的上底面的圆以外的区域进行扫描加工，具体的扫描路径如图6所示，采用加工速
度为300毫米/每秒的激光对圆的周围进行去除，加工次数为10次，图中空白部分为不加工部分，形成实心圆台本体21的上底面；
45.步骤三：降低所述激光器的加工速度为100毫米/秒，采用激光器在单位区域中对除了实心圆台本体21的下底面的圆以外的区域进行扫描加工，具体的扫描路径如图7所示，形成实心圆台本体21的台体，降低激光器的加工速度，以增加激光与平面基底10作用的热效应，使得圆台周围熔融，形成较光滑的侧表面；
46.步骤四：采用激光器对形成的实心圆台本体21的上底面的圆心进行单点加工，形成盲孔22，即火山口状结构，通过改变加工次数可控制盲孔22的深度；
47.步骤五：在各个单位区域中重复上述步骤二至步骤四，从而在所述平面基底10上形成若干个以行列矩阵分布的复合结构单元；
48.步骤六：将步骤五制得的基底在室温条件下用质量分数为2％的fas
‑
17/乙醇溶液对其进行表面化学成分改性6小时并在常温下干燥，得到具有火山口状阵列的表面微纳结构。
49.参见图10所示，实施例二与实施例一的区别之处在于，实施例二采用的是倒圆台形空腔；
50.参见图11所示，实施例三与实施例一的区别之处在于，实施例三采用的是圆台形空腔；
51.参见图12所示，实施例四与实施例一的区别之处在于，实施例四的复合结构单元采用错位排列方式分布在所述平面基底上。
52.在实际的生产过程中，可以根据需求将平面基底进行二次加工成曲面基，例如飞机机翼和船体用料等，在实际的应用场景中，除了钛合金的基底以外，还可选用其他材料制作基底，例如对散热性能要求较高的场景中，可采用镁合金制作基底；性能要求不高，且预算较为有限的情况下可采用铝合金和锌合金制作基底。
53.上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种具有火山口状阵列的微纳结构及其制备方法和应用，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。