CN107574464A - 一种具有阶层结构蘑菇形金属柱阵列表面的制备方法 - Google Patents
一种具有阶层结构蘑菇形金属柱阵列表面的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107574464A CN107574464A CN201710771070.0A CN201710771070A CN107574464A CN 107574464 A CN107574464 A CN 107574464A CN 201710771070 A CN201710771070 A CN 201710771070A CN 107574464 A CN107574464 A CN 107574464A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- preparation
- makrolon
- mushroom
- aperture
- hierarchical structure
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Electroplating Methods And Accessories (AREA)
Abstract
本发明涉及一种阶层结构蘑菇形金属柱阵列表面的制备方法。本发明以具有纳米孔和微米孔的双层聚碳酸酯膜为模板，通过电镀工艺在金属表面制备了具有微纳米阶层结构的蘑菇形金属柱阵列。该蘑菇形金属柱阵列经过表面氟化后表现为超疏水性。本发明的方法无需昂贵的仪器设备或复杂的工艺流程，简单、经济、制得的表面微结构的机械强度高、持久性强，可以极大的拓展超润湿表面的应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及材料制备领域，尤其涉及一种具有阶层结构蘑菇形金属柱阵列表面的制备方法。
背景技术
近几年来,与水的接触角大于150°的超疏水表面引起了极大的关注，因为它在自清洁材料、微流体装置以及生物材料等许多领域中有着极其重要的应用前景。自然界中的某些植物叶表面，最典型的是荷叶表面，具有超疏水性质和自清洁功能(荷叶效应)。1997年，德国波恩大学的植物学家巴特洛特等研究人员通过对近300种植物叶表面进行研究，认为这种自清洁的特性是由粗糙表面上微米结构的乳突以及表面疏水的蜡质材料共同引起的。2002年，江雷等发现在荷叶表面微米结构的乳突上还存在纳米结构，这种微米结构与纳米结构相结合的阶层结构是引起超疏水表面的根本原因。
很多研究者尝试采用3D打印，以带分支结构的阳极氧化铝膜为模板，以微米球和纳米球为掩版深度刻蚀，先构建微米结构再在其表面通过化学湿法刻蚀、等离子刻蚀、自组装等技术制备纳米结构、树莓状粒子等多种技术制备微米结构与纳米结构相结合的阶层结构表面。但是现有的方法多涉及到昂贵的仪器设备或复杂的工艺流程，难以用于大面积超润湿表面的制备，同时目前所制备的超润湿表面微结构机械强度差，使用寿命较短，易受外界因素如光、温度等影响，不能满足长期使用的要求。因此开发出一种制备工艺简单、经济、表面微结构的机械强度高、环境友好的制备工艺，可以极大的拓展超润湿表面的应用领域。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供了一种制备工艺简单、经济、表面微结构的机械强度高、持久性强的具有阶层结构蘑菇形金属柱阵列表面的制备方法。
本发明的技术方案为：
一种具有阶层结构蘑菇形金属柱阵列表面的制备方法包括以下步骤：
1)提供具有平整金属表面的基片；
2)于所述金属表面上依次覆设具有微米级孔径的聚碳酸酯多孔膜和具有纳米级孔径的聚碳酸酯多孔膜，所述微米级孔径的聚碳酸酯多孔膜和纳米级孔径的聚碳酸酯多孔膜之间残留空气形成中空层；
3)采用电镀工艺，以工件为阴极，以所述双层聚碳酸酯多孔膜结构为掩版，于所述金属层表面电镀生长金属于微米孔之内形成微米柱，并溢出微米孔于中空层向外扩张形成菌盖状结构，而后于菌盖状结构之上的纳米孔内形成纳米柱，从而形成具有阶层结构蘑菇形金属柱阵列；
4)采用有机溶剂溶解去除聚碳酸酯掩版，清洗干燥后，得到具有阶层结构蘑菇形金属柱阵列表面。
可选的，所述微米级孔径的聚碳酸酯多孔膜孔径为2～50μm，厚度为5～50μm。
可选的，所述纳米级孔径的聚碳酸酯多孔膜孔径为50～800nm，厚度为2～50μm。
可选的，步骤3)中，所述电镀金属为银、铜、镍、铁中的至少一种。
可选的，步骤1)具体是于单晶硅片表面依次沉积钛层和金层形成所述具有平整金属表面的基片。
可选的，所述电镀的电流为5～25mA，电镀时间为10～50分钟。
可选的，还包括将步骤4)形成的结构浸入预先水解的质量分数为0.5～2wt％的十三氟辛基三乙氧基硅烷乙醇溶液中，室温下浸泡0.5～2小时后取出，然后在100～140℃热处理0.5～2小时后冷却至室温以进行氟化改性后为超疏水表面。
本发明根据上述制备工艺制备的阶层结构蘑菇形金属柱阵列表面，水滴在表面氟化后的阶层结构蘑菇形金属柱阵列表面达到超疏水效果。
本发明的方法无需昂贵的仪器设备或复杂的工艺流程，简单、经济、制得的表面微结构的机械强度高、持久性强，可以极大的拓展超润湿表面的应用领域。
附图说明
图1为具有阶层结构蘑菇形金属柱阵列表面的制备过程示意图。
图2为电镀生长蘑菇形金属柱的原理示意图。
图3为本发明实施例1所制备的阶层结构蘑菇形银金属柱阵列表面的扫描电子显微镜照片。
图4为本发明实施例2所制备的阶层结构蘑菇形铜金属柱阵列表面的扫描电子显微镜照片。
图5为本发明实施例1所制备的阶层结构蘑菇形银金属柱阵列表面氟化后与水接触角测试结果。
图6为本发明实施例2所制备的阶层结构蘑菇形铜金属柱阵列表面氟化后与水接触角测试结果。
具体实施方式
参考图1，本发明的阶层结构蘑菇形金属柱阵列的制备方法为：
1)提供具有平整金属表面的基片；具体可以是于单晶硅片上依次沉积钛层和金层，所述钛层的厚度为50～200nm，所述金层的厚度为10～50nm；
2)于所述金属层上依次覆设具有微米级孔径的聚碳酸酯多孔膜和具有纳米级孔径的聚碳酸酯多孔膜，所述微米级孔径的聚碳酸酯多孔膜和纳米级孔径的聚碳酸酯多孔膜之间残留空气形成中空层；所述微米级孔径的聚碳酸酯多孔膜孔径为2～50μm，厚度为5～50μm；所述纳米级孔径的聚碳酸酯多孔膜孔径为50～800nm，厚度为2～50μm；
3)采用电镀工艺，以工件为阴极，以所述双层聚碳酸酯多孔膜结构为掩版，于所述金属层表面电镀生长金属于微米孔之内形成微米柱，并溢出微米孔于中空层向外扩张形成菌盖状结构，而后于菌盖状结构之上的纳米孔内形成纳米柱，从而形成具有阶层结构蘑菇形金属柱阵列；所述菌盖状结构的厚度取决于中空层的厚度，具体为纳米级至微米级；所述电镀金属为银、铜、镍、铁中的至少一种；所述电镀的电流为5～25mA，电镀时间为10～50分钟；
4)采用有机溶剂溶解去除聚碳酸酯掩版，并采用乙醇和去离子水清洗干燥后，得到具有阶层结构蘑菇形金属柱阵列表面。
参考图2，以双层聚碳酸酯多孔膜结构为掩版，当双层膜叠加时，中间会残余部分空气形成中空层。在电镀生长金属过程中，当微米柱高度超过微米级孔径的聚碳酸酯多孔膜厚度时，微米柱边缘和中心处的电流密度大，是优先生长区域，所以依然会向外和向上扩张生长，从而于中空层中形成菌盖状结构，与微米柱整体形成类似蘑菇的形状，当菌盖顶部接触到纳米级孔径的聚碳酸酯多孔膜底部时，继续沿着纳米孔生长，因而形成了阶层结构蘑菇形金属柱阵列。
将上述结构浸入预先水解的质量分数为0.5～2wt％的十三氟辛基三乙氧基硅烷乙醇溶液中，室温下浸泡0.5～2小时后取出，然后在100～140℃热处理0.5～2小时后冷却至室温，经氟化后具有超疏水性能。
实施例1
在单晶硅片上依次沉积一层100nm厚钛膜和20nm厚金膜，将具有12μm孔径的聚碳酸酯多孔膜(厚度为14μm)和400nm孔径的聚碳酸酯多孔膜(厚度为20μm)依次覆设在硅基底表面。取适量银电镀液加入电镀槽中，将阳极铂电极与参比电极浸入电镀液中，以工件为阴极，以双层聚碳酸酯膜为掩版，采用恒电流银电镀工艺，电流为10mA，电镀时间为35分钟，在其表面电镀生长具有阶层结构蘑菇形银金属柱阵列。到达设定时间后关闭恒电流仪，取出镀制完毕的样品。将样品浸泡在三氯甲烷中去除聚碳酸酯多孔膜，并用乙醇和去离子水清洗表面，干燥保存，最终得到具有阶层结构蘑菇形银金属柱阵列表面。其扫描电镜形态见图3，由图中可见形成了具有阶层结构的蘑菇形金属柱阵列，且其菌盖状结构的厚度约为4μm，直径范围约为36μm。将上述试样浸入预先水解好的1wt.％十三氟辛基三乙氧基硅烷乙醇溶液中，室温下浸泡1小时后取出，然后在烘箱120℃热处理1小时后冷却至室温测定其与水接触角。与水的接触角见图5，为151.5°。
实施例2
在单晶硅片上依次沉积一层100nm厚钛膜和20nm厚金膜，将具有5μm孔径的聚碳酸酯多孔膜(厚度为10μm)和500nm孔径的聚碳酸酯多孔膜(厚度为10μm)依次覆设在硅基底表面。取适量铜电镀液加入电镀槽中，将阳极铂电极与参比电极浸入电镀液中，以工件为阴极，以双层聚碳酸酯膜为掩版，采用恒电位铜电镀工艺，电流为19mA，电镀时间为20分钟，在其表面电镀生长具有阶层结构蘑菇形铜金属柱阵列。到达设定时间后关闭恒电流仪，取出镀制完毕的样品。将样品浸泡在三氯甲烷中去除聚碳酸酯多孔膜，并用乙醇和去离子水清洗表面，干燥保存，最终得到具有阶层结构蘑菇形铜金属柱阵列表面。其扫描电镜形态见图4，由图中可见形成了具有阶层结构的蘑菇形金属柱阵列，且其菌盖状结构的厚度约为4.2μm，直径范围约为24μm。将上述试样浸入预先水解好的1wt.％十三氟辛基三乙氧基硅烷乙醇溶液中，室温下浸泡1小时后取出，然后在烘箱120℃热处理1小时后冷却至室温测定其与水接触角。与水的接触角见图6，为150°。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种具有阶层结构蘑菇形金属柱阵列表面的制备方法，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。
Claims (7)
1.一种具有阶层结构蘑菇形金属柱阵列表面的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)提供具有平整金属表面的基片；
2)于所述金属表面上依次覆设具有微米级孔径的聚碳酸酯多孔膜和具有纳米级孔径的聚碳酸酯多孔膜，所述微米级孔径的聚碳酸酯多孔膜和纳米级孔径的聚碳酸酯多孔膜之间残留空气形成中空层；
3)采用电镀工艺，以工件为阴极，以所述双层聚碳酸酯多孔膜结构为掩版，于所述金属层表面电镀生长金属于微米孔之内形成微米柱，并溢出微米孔于中空层向外扩张形成菌盖状结构，而后于菌盖状结构之上的纳米孔内形成纳米柱，从而形成具有阶层结构蘑菇形金属柱阵列；
4)采用有机溶剂溶解去除聚碳酸酯掩版，清洗干燥后，得到具有阶层结构蘑菇形金属柱阵列表面。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)具体是于单晶硅片表面依次沉积钛层和金层形成所述具有平整金属表面的基片。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2)所述微米级孔径的聚碳酸酯多孔膜孔径为2～50μm，厚度为5～50μm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2)所述纳米级孔径的聚碳酸酯多孔膜孔径为50～800nm，厚度为2～50μm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3)中，所述电镀金属为银、铜、镍、铁中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3)中，所述电镀的电流为5～25mA，电镀时间为10～50分钟。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：还包括将步骤4)形成的结构浸入预先水解的质量分数为0.5～2wt％的十三氟辛基三乙氧基硅烷乙醇溶液中，室温下浸泡0.5～2小时后取出，然后在100～140℃热处理0.5～2小时后冷却至室温以进行氟化改性后为超疏水表面。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710771070.0A CN107574464B (zh) | 2017-08-31 | 2017-08-31 | 一种具有阶层结构蘑菇形金属柱阵列表面的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710771070.0A CN107574464B (zh) | 2017-08-31 | 2017-08-31 | 一种具有阶层结构蘑菇形金属柱阵列表面的制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107574464A true CN107574464A (zh) | 2018-01-12 |
| CN107574464B CN107574464B (zh) | 2019-05-03 |
Family
ID=61029925
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710771070.0A Active CN107574464B (zh) | 2017-08-31 | 2017-08-31 | 一种具有阶层结构蘑菇形金属柱阵列表面的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107574464B (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109518130A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-03-26 | 深圳先进技术研究院 | 微孔金属膜及制备方法 |
| CN112661102A (zh) * | 2020-11-30 | 2021-04-16 | 上海联影医疗科技股份有限公司 | 表面结构、表面结构制备方法以及医疗设备 |
| CN115125572A (zh) * | 2022-06-22 | 2022-09-30 | 北京航空航天大学 | 一种蘑菇形阵列电极的制备方法及应用 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW200815278A (en) * | 2006-06-28 | 2008-04-01 | Univ Northwestern | DPN generated hole nanoarrays |
| CN101319407A (zh) * | 2008-06-25 | 2008-12-10 | 北京理工大学 | 一种金属氧化物纳米颗粒状纳米阵列材料的制备方法 |
| CN102612424A (zh) * | 2010-03-19 | 2012-07-25 | 学校法人早稻田大学 | 金属模具的制造方法和通过该方法被形成的金属模具 |
| CN103046088A (zh) * | 2012-12-20 | 2013-04-17 | 华南理工大学 | 一种微纳米复合多孔铜表面结构及其制备方法与装置 |
| CN105220185A (zh) * | 2015-10-29 | 2016-01-06 | 广东工业大学 | 一种超疏油微柱阵列表面织构的制备方法 |
-
2017
- 2017-08-31 CN CN201710771070.0A patent/CN107574464B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW200815278A (en) * | 2006-06-28 | 2008-04-01 | Univ Northwestern | DPN generated hole nanoarrays |
| CN101319407A (zh) * | 2008-06-25 | 2008-12-10 | 北京理工大学 | 一种金属氧化物纳米颗粒状纳米阵列材料的制备方法 |
| CN102612424A (zh) * | 2010-03-19 | 2012-07-25 | 学校法人早稻田大学 | 金属模具的制造方法和通过该方法被形成的金属模具 |
| CN103046088A (zh) * | 2012-12-20 | 2013-04-17 | 华南理工大学 | 一种微纳米复合多孔铜表面结构及其制备方法与装置 |
| CN105220185A (zh) * | 2015-10-29 | 2016-01-06 | 广东工业大学 | 一种超疏油微柱阵列表面织构的制备方法 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109518130A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-03-26 | 深圳先进技术研究院 | 微孔金属膜及制备方法 |
| CN112661102A (zh) * | 2020-11-30 | 2021-04-16 | 上海联影医疗科技股份有限公司 | 表面结构、表面结构制备方法以及医疗设备 |
| CN115125572A (zh) * | 2022-06-22 | 2022-09-30 | 北京航空航天大学 | 一种蘑菇形阵列电极的制备方法及应用 |
| CN115125572B (zh) * | 2022-06-22 | 2023-12-19 | 北京航空航天大学 | 一种蘑菇形阵列电极的制备方法及应用 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107574464B (zh) | 2019-05-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Esmailzadeh et al. | Microstructural evolution and corrosion resistance of super-hydrophobic electrodeposited nickel films | |
| CN107574464B (zh) | 一种具有阶层结构蘑菇形金属柱阵列表面的制备方法 | |
| US20090317590A1 (en) | Method for fabricating superhydrophobic surface and solid having superhydrophobic surface structure by the same method | |
| Khorsand et al. | Corrosion resistance and long-term durability of super-hydrophobic nickel film prepared by electrodeposition process | |
| US11254566B2 (en) | Preparation method of bionic adhesive material with tip-expanded microstructural array | |
| Kang et al. | Facile and fast fabrication of superhydrophobic surface on magnesium alloy by one-step electrodeposition method | |
| Liu et al. | Facile fabrication of a robust and corrosion resistant superhydrophobic aluminum alloy surface by a novel method | |
| Guo et al. | Bioinspired fabrication of stable and robust superhydrophobic steel surface with hierarchical flowerlike structure | |
| Emarati et al. | Theoretical, fundamental and experimental study of liquid-repellency and corrosion resistance of fabricated superamphiphobic surface on Al alloy 2024 | |
| KR20110074269A (ko) | 물방울의 표면부착 특성 조절이 가능한 알루미늄의 표면 처리방법 | |
| US11499243B2 (en) | Method for manufacturing aluminum alloy anodized film having superhydrophobic surface | |
| Wu et al. | The superhydrophobic aluminum surface prepared by different methods | |
| US10626518B2 (en) | Method for treating a surface of a metallic structure | |
| Zhang et al. | Controllable wettability and morphology of electrodeposited surfaces on zinc substrates | |
| CN104562049B (zh) | 一种基于钢基体超疏水功能表面的制备方法 | |
| Nick et al. | High aspect ratio gold nanopillars on microelectrodes for neural interfaces | |
| Li et al. | Comparison of structures and hydrophobicity of femtosecond and nanosecond laser-etched surfaces on silicon | |
| CN105220185A (zh) | 一种超疏油微柱阵列表面织构的制备方法 | |
| CN105274490A (zh) | 一种具有内凹式微孔的超疏油金属表面的制备方法 | |
| CN101830428A (zh) | 一种以微针阵列制造超疏水表面的方法 | |
| CN102320559A (zh) | 一种中空结构的微阵列电极的制备方法 | |
| Wang et al. | Synthesis of biomimetic superhydrophobic surface through electrochemical deposition on porous alumina | |
| CN106987872A (zh) | 一种金属材料表面超疏水膜的制备方法 | |
| US20150368821A1 (en) | Fabricating Porous Metallic Coatings Via Electrodeposition and Compositions Thereof | |
| Wang et al. | Preparation of lotus-like hierarchical microstructures on zinc substrate and study of its wettability |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |