CN109680252B - 一种疏水性铝合金复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种疏水性铝合金复合材料，包括为铝合金基底层，铝合金基底层上涂覆有环氧树脂保护层，环氧树脂保护层上依次沉积有第一二硫化钼层、第一二氧化硅层、第二二硫化钼层、第二二氧化硅层、第三二硫化钼层和第三二氧化硅层，第一二硫化钼层、第一二氧化硅层、第二二硫化钼层、第二二氧化硅层、第三二硫化钼层、第三二氧化硅层依次沉积叠加在在环氧树脂保护层上，第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层的粒径依次梯度递增。本发明的疏水性铝合金复合材料具有疏水性好、致密性高、工艺绿色环保和成本低廉特点。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金复合材料技术领域，特别是一种疏水性铝合金复合材料。
背景技术
铝合金材料作为一种常规的工程金属，在军事、通讯、交通，能源等行业具有重要
的应用价值。超疏水表面是指与水的接触角大于150°，滚动角小于10°的表面 ,在铝合金材料上构筑这种超疏水功能表面 ,可广泛应用于自清洁，防覆冰，油水分离，防腐蚀，减阻增输等科研和工业领域。但由于铝合金材料为亲水材料 ,因此 ,需通过在表面构建合适的微观结构来增强其亲液性，进而在微观结构获得的基础上通过低表面能材料修饰来降低表面能 ,进而获得超疏水性。然而 ,迄今人们对铝合金超疏水极端润湿性表面制备方法的研究还处于探索阶段 ,且现有制备方法在安全、环保、效率等方面还存在诸多问题,亟需研制适合产业化的工程金属材料表面微观结构及极端润湿性表面的制备方法。
目前，微纳米特种加工技术常被用于构造工程金属材料极端润湿性表面所需的特殊微观结构，根据加工原理的不同 ,可分为激光刻蚀法、机械切割法、电化学溶解法、电化学沉积法、阳极氧化法、电化学沉积法、化学沉积法、热氧化法等。但现有方法均或多或少地存在一些问题，如机械切割技术目前尚未成熟；激光刻蚀设备昂贵；电化学溶解法在制备金属材料极端润湿性表面时大量使用强酸、强碱，对操作人员和环境均有较大危害；电化学沉积法使用的电镀液中添加的化学试剂较多 ,提高了生产成本；阳极氧化法大多釆用强酸为电解液且效率低下 ,加工时间长达几个小时；化学沉积法主要是在金属材料表面置换沉积出大量的金、银等贵金属 ,生产成本高；高温氧化法处理金属表面时所需时间较长 ,生产效率低,能耗大。
综上所述，现有的超疏水铝合金材料制备方法存在如：制作成本高昂，制作过程复杂，工艺参数可控程度低，制备时间长，对环境污染大等缺点，因此不适用于大面积、大规模超疏水表面的制备。并且获取的超疏水材料疏水性低，耐久性较差。
针对于此，中国发明专利申请CN107649352A公开了一种大尺寸超疏水极端润湿性铝合金材料的快速制作方法，包括步骤：1)、铝合金材料前处理；2)、铝合金材料刻蚀处理；3)、铝合金材料疏水化处理。该发明通过对铝合金材料的前处理，刻蚀处理和疏水化处理三个简单的步骤，可快速获取超疏水铝合金材料，制备的超疏水铝合金材料接触角高达155°～165°，滚动角小于10°。该制备工艺操作简单、设备依赖性低、不需要昂贵的设备、不受基材形状影响，可以广泛应用于大规模工业化生产。通过该方法，可获取高性能超疏水铝合金材料，并大大降低超疏水铝合金材料的制作成本。但是，必须看到，该工艺的处理过程基于结合力的考虑，需要进行刻蚀处理，必然产生大量化学废水的排放，有悖于绿色环保的主题，刻蚀处理也会造成铝合金材料的损耗。
与此同时，中国发明专利申请CN106903034A公开了一种超疏水铝合金表面制备方法及超疏水铝合金表面，其中超疏水铝合金表面制备方法主要包括如下步骤：铝基材预处理，包括切割、打磨、抛光和清洗；光刻处理，清洗烘干；先用80℃的、浓度为0.05M的NaOH刻蚀4.5-5.5分钟；再用100℃沸水处理45-50分钟；清洗并烘干；后处理。该发明的方法在保证超疏水铝合金表面性能的同时，能够降低了制备难度和操作复杂度，降低超疏水铝合金表面的制作成本，适用于大规模应用。同样地，其工艺过程中抛光和清洗、光刻处理、清洗烘干的工艺繁琐、废水排放也不可避免。
此外，中国发明专利申请CN108857273A公开了一种7075铝合金超疏水表面制备工艺属于电沉积应用领域，解决了制备超疏水结构的问题，制备工艺包括如下步骤：采用金相砂纸打磨铝合金表面，使其光滑；采用金相试样抛光机对所述打磨后工件表面进行抛光处理，置于去离子水中超声波清洗；采用激光打标机对所述抛光后工件表面构筑坑状结构，置于去离子水中进行超声波清洗后并烘干；对所述激光处理后工件基体进行镍离子电沉积，置于去离子水中进行超声波清洗；工件的电沉积时间控制在4min左右；镀液成分为：NiSO4.6H2O、柠檬酸三铵、氨水、醋酸铵；把沉积后的表面放置在干燥箱进行热处理，温度为150℃，保温2小时并随炉冷却至室温。该发明表面的疏水性达到更好，激光电沉积复合制备表面疏水接触角达到152°。工艺繁琐和废水排放的问题同样不能避免。
发明内容
本发明的最主要目的在于提供了一种疏水性铝合金复合材料，以铝合金材料作为基底材料，具有疏水性好、致密性高、工艺绿色环保和成本低廉特点。。
本发明可以通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种疏水性铝合金复合材料，包括为铝合金基底层，所述铝合金基底层上涂覆有环氧树脂保护层，所述环氧树脂保护层上依次沉积有第一二硫化钼层、第一二氧化硅层、第二二硫化钼层、第二二氧化硅层、第三二硫化钼层和第三二氧化硅层，所述第一二硫化钼层、第一二氧化硅层、第二二硫化钼层、第二二氧化硅层、第三二硫化钼层、第三二氧化硅层依次沉积叠加在所述在环氧树脂保护层上，所述第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层的粒径依次梯度递增。
进一步地，第一二氧化硅层的厚度为10-100μm，其表面粗糙度为2-6微米。
进一步地，第二二氧化硅层的厚度为10-100μm，其表面粗糙度为2-6微米。
进一步地，第一二硫化钼层的厚度为10-20微米，通过磁控溅射方法沉积在所述环氧树脂保护层上。
进一步地，第二二硫化钼层的厚度为10-20微米，通过磁控溅射方法沉积在第一二氧化硅层上。
进一步地，第三二硫化钼层的厚度为10-20微米，通过磁控溅射方法沉积在第二二氧化硅层上。
进一步地，第三二氧化硅层的厚度为2-6微米，通过磁控溅射方法沉积在第三二硫化钼上。
进一步地，所述第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层均以改性3-氨丙基甲基二氧基硅烷作为靶材材料磁控溅射沉积。
进一步地，所述第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层的磁控溅射的条件为：偏压100V-150V、中频电流3-8A、氩气：100-150sccM、氧气由150sccM逐渐减少流量至50sccM、溅射时间为3-6分钟。
本发明疏水性铝合金复合材料具有如下有益的技术效果：
第一、疏水性好，通过在环氧树脂保护层上沉积第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层，二氧化硅层在铝合金基底表面形成较好的疏水层；同时，第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层的粒径依次梯度递增，不同二氧化硅层之间的疏水间隙从铝合金基底想向外依次递增，有效保证了铝合金材料表面的疏水效果，通过测试，铝合金材料表面的接触角在157°～165°；
第二、致密性好，若采用纯气相沉积的二氧化硅层在铝合金基底表面形成疏水层，磁控溅射形成的二氧化硅疏水层会比较疏松，容易从铝合金基底表面脱落，不利于铝合金材料疏松效果的保持，通过在不同二氧化硅疏水层之间沉积二硫化钼，二硫化钼粒子会成绩进入二氧化硅疏水层的间隙中产生增摩润滑作用避免疏水层过于疏松造成的不良影响，而且，不同二硫化钼层之间的粒子彼此形成点接触，既形成疏水性的骨架，也不会堵塞疏水通道，也是基于此的缘故，第一二硫化钼层、第二二硫化钼层、第三二硫化钼层的厚度不宜过厚或者过薄，过厚会造成疏水通道的堵塞，过薄会无法充分发挥其骨架作用影响疏水层的致密性；
第三、工艺绿色环保，通过在铝合金基底表面涂覆环氧树脂保护层，既有保护基底表面的作用，又利用了环氧树脂的光固化性，保证了第一二氧化硅层与铝合金基底的结合力，无需进行刻蚀处理，不会产生废水的排放，工艺绿色环保；
第四、成本低廉，整个疏水性铝合金复合材料的制备过程均可以在磁控溅射***完成，无需进行转序即可实现连续化生产控制，节约制备时间，方便进行规模化生产，成本相对于传统方式节约30%以上。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明产品作进一步详细的说明。
本发明公开了一种疏水性铝合金复合材料，包括为铝合金基底层，所述铝合金基底层上涂覆有环氧树脂保护层，所述环氧树脂保护层上依次沉积有第一二硫化钼层、第一二氧化硅层、第二二硫化钼层、第二二氧化硅层、第三二硫化钼层和第三二氧化硅层，所述第一二硫化钼层、第一二氧化硅层、第二二硫化钼层、第二二氧化硅层、第三二硫化钼层、第三二氧化硅层依次沉积叠加在所述在环氧树脂保护层上，所述第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层的粒径依次梯度递增。
进一步地，第一二氧化硅层的厚度为10-100μm，其表面粗糙度为2-6微米。
进一步地，第二二氧化硅层的厚度为10-100μm，其表面粗糙度为2-6微米。
进一步地，第一二硫化钼层的厚度为10-20微米，通过磁控溅射方法沉积在所述环氧树脂保护层上。
进一步地，第二二硫化钼层的厚度为10-20微米，通过磁控溅射方法沉积在第一二氧化硅层上。
进一步地，第三二硫化钼层的厚度为10-20微米，通过磁控溅射方法沉积在第二二氧化硅层上。
进一步地，第三二氧化硅层的厚度为2-6微米，通过磁控溅射方法沉积在第三二硫化钼上。
进一步地，所述第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层均以改性3-氨丙基甲基二氧基硅烷作为靶材材料磁控溅射沉积。
进一步地，所述第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层的磁控溅射的条件为：偏压100V-150V、中频电流3-8A、氩气：100-150sccM、氧气由150sccM逐渐减少流量至50sccM、溅射时间为3-6分钟。
实施例1
本发明公开了一种疏水性铝合金复合材料，包括为铝合金基底层，所述铝合金基底层上涂覆有环氧树脂保护层，所述环氧树脂保护层上依次沉积有第一二硫化钼层、第一二氧化硅层、第二二硫化钼层、第二二氧化硅层、第三二硫化钼层和第三二氧化硅层，所述第一二硫化钼层、第一二氧化硅层、第二二硫化钼层、第二二氧化硅层、第三二硫化钼层、第三二氧化硅层依次沉积叠加在所述在环氧树脂保护层上，所述第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层的粒径依次梯度递增。
在本实施例中，第一二氧化硅层的厚度为100μm，其表面粗糙度为2-6微米。第二二氧化硅层的厚度为55μm，其表面粗糙度为2-6微米。第一二硫化钼层的厚度为10微米，通过磁控溅射方法沉积在所述环氧树脂保护层上。第二二硫化钼层的厚度为20微米，通过磁控溅射方法沉积在第一二氧化硅层上。第三二硫化钼层的厚度为15微米，通过磁控溅射方法沉积在第二二氧化硅层上。第三二氧化硅层的厚度为2微米，通过磁控溅射方法沉积在第三二硫化钼上。所述第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层均以改性3-氨丙基甲基二氧基硅烷作为靶材材料磁控溅射沉积。所述第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层的磁控溅射的条件为：偏压100V-150V、中频电流3-8A、氩气：100-150sccM、氧气由150sccM逐渐减少流量至50sccM、溅射时间为3-6分钟。具体结合厚度进行调节。
实施例2
本发明公开了一种疏水性铝合金复合材料，包括为铝合金基底层，所述铝合金基底层上涂覆有环氧树脂保护层，所述环氧树脂保护层上依次沉积有第一二硫化钼层、第一二氧化硅层、第二二硫化钼层、第二二氧化硅层、第三二硫化钼层和第三二氧化硅层，所述第一二硫化钼层、第一二氧化硅层、第二二硫化钼层、第二二氧化硅层、第三二硫化钼层、第三二氧化硅层依次沉积叠加在所述在环氧树脂保护层上，所述第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层的粒径依次梯度递增。
在本实施例中，第一二氧化硅层的厚度为55μm，其表面粗糙度为2-6微米。第二二氧化硅层的厚度为10μm，其表面粗糙度为2-6微米。第一二硫化钼层的厚度为20微米，通过磁控溅射方法沉积在所述环氧树脂保护层上。第二二硫化钼层的厚度为15微米，通过磁控溅射方法沉积在第一二氧化硅层上。第三二硫化钼层的厚度为10微米，通过磁控溅射方法沉积在第二二氧化硅层上。第三二氧化硅层的厚度为6微米，通过磁控溅射方法沉积在第三二硫化钼上。所述第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层均以改性3-氨丙基甲基二氧基硅烷作为靶材材料磁控溅射沉积。所述第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层的磁控溅射的条件为：偏压100V-150V、中频电流3-8A、氩气：100-150sccM、氧气由150sccM逐渐减少流量至50sccM、溅射时间为3-6分钟，具体结合厚度进行调节。
实施例3
本发明公开了一种疏水性铝合金复合材料，包括为铝合金基底层，所述铝合金基底层上涂覆有环氧树脂保护层，所述环氧树脂保护层上依次沉积有第一二硫化钼层、第一二氧化硅层、第二二硫化钼层、第二二氧化硅层、第三二硫化钼层和第三二氧化硅层，所述第一二硫化钼层、第一二氧化硅层、第二二硫化钼层、第二二氧化硅层、第三二硫化钼层、第三二氧化硅层依次沉积叠加在所述在环氧树脂保护层上，所述第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层的粒径依次梯度递增。
在本实施例中，第一二氧化硅层的厚度为10μm，其表面粗糙度为2-6微米。第二二氧化硅层的厚度为100μm，其表面粗糙度为2-6微米。第一二硫化钼层的厚度为15微米，通过磁控溅射方法沉积在所述环氧树脂保护层上。第二二硫化钼层的厚度为10微米，通过磁控溅射方法沉积在第一二氧化硅层上。第三二硫化钼层的厚度为20微米，通过磁控溅射方法沉积在第二二氧化硅层上。第三二氧化硅层的厚度为4微米，通过磁控溅射方法沉积在第三二硫化钼上。所述第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层均以改性3-氨丙基甲基二氧基硅烷作为靶材材料磁控溅射沉积。所述第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层的磁控溅射的条件为：偏压100V-150V、中频电流3-8A、氩气：100-150sccM、氧气由150sccM逐渐减少流量至50sccM、溅射时间为3-6分钟.具体结合厚度进行调节。
实施例4
本发明公开了一种疏水性铝合金复合材料，包括为铝合金基底层，所述铝合金基底层上涂覆有环氧树脂保护层，所述环氧树脂保护层上依次沉积有第一二硫化钼层、第一二氧化硅层、第二二硫化钼层、第二二氧化硅层、第三二硫化钼层和第三二氧化硅层，所述第一二硫化钼层、第一二氧化硅层、第二二硫化钼层、第二二氧化硅层、第三二硫化钼层、第三二氧化硅层依次沉积叠加在所述在环氧树脂保护层上，所述第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层的粒径依次梯度递增。
在本实施例中，第一二氧化硅层的厚度为80μm，其表面粗糙度为2-6微米。第二二氧化硅层的厚度为20μm，其表面粗糙度为2-6微米。第一二硫化钼层的厚度为18微米，通过磁控溅射方法沉积在所述环氧树脂保护层上。第二二硫化钼层的厚度为12微米，通过磁控溅射方法沉积在第一二氧化硅层上。第三二硫化钼层的厚度为18微米，通过磁控溅射方法沉积在第二二氧化硅层上。第三二氧化硅层的厚度为3微米，通过磁控溅射方法沉积在第三二硫化钼上。所述第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层均以改性3-氨丙基甲基二氧基硅烷作为靶材材料磁控溅射沉积。所述第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层的磁控溅射的条件为：偏压100V-150V、中频电流3-8A、氩气：100-150sccM、氧气由150sccM逐渐减少流量至50sccM、溅射时间为3-6分钟。
实施例5
本发明公开了一种疏水性铝合金复合材料，包括为铝合金基底层，所述铝合金基底层上涂覆有环氧树脂保护层，所述环氧树脂保护层上依次沉积有第一二硫化钼层、第一二氧化硅层、第二二硫化钼层、第二二氧化硅层、第三二硫化钼层和第三二氧化硅层，所述第一二硫化钼层、第一二氧化硅层、第二二硫化钼层、第二二氧化硅层、第三二硫化钼层、第三二氧化硅层依次沉积叠加在所述在环氧树脂保护层上，所述第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层的粒径依次梯度递增。
在本实施例中，第一二氧化硅层的厚度为30μm，其表面粗糙度为2-6微米。第二二氧化硅层的厚度为70μm，其表面粗糙度为2-6微米。第一二硫化钼层的厚度为13微米，通过磁控溅射方法沉积在所述环氧树脂保护层上。第二二硫化钼层的厚度为17微米，通过磁控溅射方法沉积在第一二氧化硅层上。第三二硫化钼层的厚度为13微米，通过磁控溅射方法沉积在第二二氧化硅层上。第三二氧化硅层的厚度为5微米，通过磁控溅射方法沉积在第三二硫化钼上。所述第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层均以改性3-氨丙基甲基二氧基硅烷作为靶材材料磁控溅射沉积。所述第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层的磁控溅射的条件为：偏压100V-150V、中频电流3-8A、氩气：100-150sccM、氧气由150sccM逐渐减少流量至50sccM、溅射时间为3-6分钟，具体结合厚度进行调节。
对比例1
对比例1与实施例5的唯一区别在于没有第一二硫化钼层、第二二硫化钼层、第三二硫化钼层。
对比例2
对比例2与实施例5的唯一区别在于第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层之间的粒径没有形成梯度。
对比例3
对比例3与实施例5的区别在于没有环氧树脂保护层。
为了评估本发明的技术效果，通过对实施例1～5和对比例1～3进行性能测试，测试结果如表1所示：
表1 性能测试结果
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种疏水性铝合金复合材料，包括为铝合金基底层，其特征在于：所述铝合金基底层上涂覆有环氧树脂保护层，所述环氧树脂保护层上依次沉积有第一二硫化钼层、第一二氧化硅层、第二二硫化钼层、第二二氧化硅层、第三二硫化钼层和第三二氧化硅层，所述第一二硫化钼层、第一二氧化硅层、第二二硫化钼层、第二二氧化硅层、第三二硫化钼层、第三二氧化硅层依次沉积叠加在所述在环氧树脂保护层上，所述第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层的粒径依次梯度递增。
2.根据权利要求1所述的疏水性铝合金复合材料，其特征在于：第一二氧化硅层的厚度为10-100μm，其表面粗糙度为2-6微米。
3.根据权利要求1或2所述的疏水性铝合金复合材料，其特征在于：第二二氧化硅层的厚度为10-100μm，其表面粗糙度为2-6微米。
4.根据权利要求3所述的疏水性铝合金复合材料，其特征在于：第一二硫化钼层的厚度为10-20微米，通过磁控溅射方法沉积在所述环氧树脂保护层上。
5.根据权利要求4所述的疏水性铝合金复合材料，其特征在于：第二二硫化钼层的厚度为10-20微米，通过磁控溅射方法沉积在第一二氧化硅层上。
6.根据权利要求5所述的疏水性铝合金复合材料，其特征在于：第三二硫化钼层的厚度为10-20微米，通过磁控溅射方法沉积在第二二氧化硅层上。
7.根据权利要求6所述的疏水性铝合金复合材料，其特征在于：第三二氧化硅层的厚度为2-6微米，通过磁控溅射方法沉积在第三二硫化钼上。
8.根据权利要求7所述的疏水性铝合金复合材料，其特征在于：所述第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层均以改性3-氨丙基甲基二氧基硅烷作为靶材材料磁控溅射沉积。
9.根据权利要求8所述的疏水性铝合金复合材料，其特征在于：所述第一二氧化硅层、第二二氧化硅层、第三二氧化硅层的磁控溅射的条件为：偏压100V-150V、中频电流3-8A、氩气：100-150sccm 、氧气由150sccm 逐渐减少流量至50sccm 、溅射时间为3-6分钟。
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