CN109732196A - 一种改性黄铜表面及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种改性黄铜表面及其制备方法与应用，该方法包括：(1)将待处理的黄铜表面进行抛光预处理，清洗、干燥后得到洁净的表面抛光后的黄铜样品；(2)采用脉冲激光器对黄铜样品表面进行激光扫描处理，在样品表面加工出多个微纳结构，放入电热真空干燥箱内烘烤，即得到黄铜超疏水表面；(3)在所得的黄铜超疏水冷凝表面经激光加工处理出楔形或三角形并列连接的超亲水表面，即得到超疏水‑超亲水楔形或三角形相间的表面。该方法无化学修饰，工艺简单，操作方便，成本低，制得的黄铜表面为超疏水‑超亲水楔形或三角形相间的表面，非常利于滴状冷凝过程的实现和持续进行，具备优异的冷凝性能，增加了黄铜换热率，提高了冷凝管的冷凝效率。
Description
技术领域
本发明涉及表面制备技术领域，尤其涉及一种改性黄铜表面及其制备方法。
背景技术
冷凝管是一种用作促成冷凝作用的设备，通常由双层玻璃管组成，它是利用热交换原理使蒸汽冷却凝结为液体的一种玻璃仪器。因为玻璃管直径有限，高温的气体或液体流经内管接触面积有限，以致热交换不充分，最终冷凝效率不高，若使传热设备的尺寸增大，则会大幅增加冷凝成本。传统冷凝管如：玻璃、铜及不锈钢材料的表面表现出亲水性(本征接触角小于90°)，不利于表面凝结液滴的脱落。对于持续滴状冷凝过程而言，冷凝液滴不润湿表面以及能够在较小尺度时快速脱离表面是过程实现的关键因素。
目前，对于金属材料表面的改性已越来越普遍，一般分为化学法和物理法。黄铜具有很好的低温韧性和高的低温强度，同时其耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性均较好，而且材料密度小。在电厂冷却塔的热交换器中的重要应用，传统的冷却塔是利用水与空气流动接触后进行冷热交换产生蒸汽，蒸汽挥发带走热量达到蒸发散热、对流传热和辐射传热原理来散去工业上或制冷空调中产生的余热来降低水温的蒸发散热装置，以保证装置的正常运行，装置一般为桶状，故名为冷却塔。传统的冷却塔的水与空气流动接触后进行冷热交换需要较大的传热设备，须增大的设备的尺寸及冷凝模块总量，而采用激光处理后的黄铜超疏水-超亲水冷凝表面就可以直接凝结成液滴，并且快速脱离表面带走大部分的热量，从而起到增大热交换率，减少能耗，缩小传热设备的体积，既节约用地面积，又便于安装及后期维护，且能减少生产设备的成本。然而现有的黄铜表面的改性方法，步骤繁琐，且制成的表面冷凝效率并不高。
例如，申请号为201711054092.1申请公开了一种具有超疏水表面的泡沫铜的制备方法，该发明通过化学氧化处理，然后用氟硅烷进行低表面化学修饰，该发明使用了常温易挥发刺激性且有毒的化学剂，不具备绿色环保的特性，其相对于本专利亦不具备激光选区纹理编织超疏水表面无外力定向输运冷凝液滴的能力。申请号为201711204330.4申请公开了一种在铜基表面不加修饰快速制备仿生超疏水表面的方法，该方法首先将铜片经过预先处理,在砂纸上打磨后进行机械抛光达到镜面效果,然后将预处理好的铜片在光纤激光器下进行纹理刻蚀；再经电刷镀处理；最后放在393K的加热炉中进行低温热处理，得到具有三级分级结构的超疏水表面的黄铜样品。该方法加工繁琐，不适宜大规模应用，同时该方法亦无激光选区纹理编制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供了一种改性黄铜表面及其制备方法与应用，该制备方法无化学修饰，工艺简单，操作方便，效率高，能耗少，成本低，制得的黄铜表面为超疏水-超亲水楔形或三角形相间的表面，非常利于滴状冷凝过程的实现和持续进行，具备优异的冷凝性能，大大增加了黄铜换热率，提高了冷凝管的冷凝效率。
本发明是这样实现的：
本发明的目的之一在于提供了一种改性黄铜表面的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1、将待处理的黄铜表面进行抛光预处理，清洗、干燥后得到洁净的表面抛光后的黄铜样品；
步骤2、采用脉冲激光器对步骤1所得的黄铜样品表面进行激光扫描处理，在样品表面加工出多个微纳结构，再放入电热真空干燥箱内烘烤，即得到黄铜超疏水表面；
步骤3、在步骤2所得的黄铜超疏水冷凝表面经激光加工处理出的黄铜超亲水表面，所述黄铜超亲水表面与黄铜超疏水表面交替连接形成多个子阵列，所述子阵列中黄铜超亲水表面与黄铜超疏水表面均为楔形或三角形，相邻两个所述子阵列之间设有超亲水汇集区，即得到超疏水-超亲水楔形或三角形相间的表面。
具体地，所述子阵列若是横向排列，相邻两个所述子阵列之间设有镍板超亲水汇集区则为竖向设置的，超亲水汇集区为镍板超亲水表面，且镍板超亲水汇集区的形状可以是任意的，可以是长方形、三角形、楔形等等。其中子阵列中的楔形或三角形的镍板超亲水表面沿着水流的方向其面积是逐渐增大的，这样方便水流汇集在超亲水汇集区。
具体地，所述子阵列若是纵向排列，相邻两个所述子阵列之间设有镍板超亲水汇集区则为横向设置的，超亲水汇集区为镍板超亲水表面，且镍板超亲水汇集区的形状可以是任意的，可以是长方形、三角形、楔形等等。其中子阵列中的楔形或三角形的镍板超亲水表面沿着水流的方向其面积是逐渐增大的，这样方便水流汇集在超亲水汇集区。
优选地，所述超疏水表面有微纳米二元表面结构，且滚动角小于10°，所述超疏水表面与位于其上的液体之间形成的接触角大于150°；所述超亲水表面与位于其上的液体之间形成的接触角为0°。
所述超疏水表面与位于其上的液体之间形成的接触角最大可达160.4°，最小滚动角为3°，因此具有非常好的超疏水性能(液-固界面接触角大于150°即为超疏水)，且在冷凝过程中依然保持超疏水-超亲水特性。
优选地，所述步骤1中所述的抛光预处理采用功率为370W、研磨盘转速为450转/分、研磨盘直径为230mm的金相试样预磨机，且抛光预处理过程用直径为200mm、1000目的SiC水砂纸在所述黄铜表面进行抛光处理，抛光范围是100cm2，抛光时间10-20分钟。
优选地，所述步骤1中清洗、干燥的具体步骤为：将抛光后的黄铜样品放在盛有去离子水的超声波清洗仪中清洗，清洗干净后，将所述黄铜样品表面用冷风吹干或室温自然晾干，得到洁净的表面抛光后的黄铜样品。
更为优选地，所述超声清洗仪的超声频率为40kHz，所述去离子水电阻率为18.25兆欧，所述去离子水将黄铜样品表面淹没，在室温下连续清洗20-60分钟。
优选地，所述步骤2与步骤3中所用的激光为超短脉冲激光器，其波长小于1550nm，其重复频率为70kHz-1000kHz；所述步骤2与步骤3中所用的激光加工参数为：脉宽为10ns-500ns，单脉冲能量小于1.1mJ。
更为优选地，所述步骤2与步骤3中所用的激光为超短脉冲激光器，其波长为1064nm，其重复频率为80kHz-200kHz；所述步骤2与步骤3中所用的激光加工参数为：脉宽为100ns-240ns(最优为175ns-240ns)，所述单脉冲能量为0.2mJ-0.7mJ。
所述激光扫描采用多棱镜装置进行光束扫描，多棱镜扫描的速度为1m/s-800m/，激光的通断及多棱镜装置的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定；
或所述激光扫描使用运动平台装置实现，将光束固定，样品相对光束运动，平台运动的速度为0.1mm/s-3m/s，激光的通断、平台运动轨迹和速度均由计算机程序控制和设定；
优选地，所述激光扫描速度为1000mm/s-2000mm/s。
优选地，所述步骤2中，制备完毕后用锡箔纸包裹，并放入封口样品袋中，再放入电热真空干燥箱内烘烤，所述电热真空干燥箱内压力为-0.101Mpa，湿度为0％RH，温度为100℃-250℃，所述样品烘烤的时间为2-24小时，所述电热真空干燥箱内的温度误差为±1℃。
本发明的目的之二在于提供了一种所述方法制备得到的改性黄铜表面。
本发明的目的之三在于提供了所述的改性黄铜表面在提高冷凝传热效率中的应用。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明提供的一种改性黄铜表面的制备方法，无化学修饰，工艺简单，操作方便，效率高，能耗少，成本低，且本发明方法的工艺参数容易控制，易于实现工业应用。
2、本发明提供的一种改性黄铜表面，为超疏水-超亲水楔形或三角形相间的表面，非常利于滴状冷凝过程的实现和持续进行；所述超疏水表面与位于其上的液体之间形成的接触角最大可达160.4°，最小滚动角为3°，因此具有非常好的超疏水性能(液-固界面接触角大于150°即为超疏水)，且在冷凝过程中依然保持超疏水-超亲水特性。
3、本发明提供的一种改性黄铜表面在提高冷凝传热效率中的应用，采用本发明方法制备得到的超疏水-超亲水黄铜金属表面用于冷凝管或其他冷凝金属上，具备优异的冷凝性能，大大增加了黄铜换热率，提高了冷凝管的冷凝效率。
附图说明
图1为本发明实验例1提供的改性黄铜表面的超疏水表面部分的接触角示意图和滚动角示意图；其中(a)为接触角示意图，(b)为滚动角示意图；
图2为本发明实验例2提供的改性黄铜表面的超疏水表面部分的接触角示意图和滚动角示意图；其中(c)为接触角示意图，(d)为滚动角示意图；
图3为本发明实验例3提供的改性黄铜表面的超疏水表面部分的接触角示意图和滚动角示意图；其中(e)为接触角示意图，(f)为滚动角示意图；
图4为本发明实验例4提供的改性黄铜表面的超疏水表面部分接触角示意图和滚动角示意图；其中(g)为接触角示意图，(h)为滚动角示意图；
图5为本发明实施例1利用脉冲激光制备得到的改性黄铜表面的扫描电镜图；
图6为本发明实施例1-4提供的改性黄铜表面的结构示意图；其中A为黄铜超亲水表面，B为黄铜超疏水表面。
具体实施方式
实施例1
本发明实施例提供一种改性黄铜表面及其制备方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1、将待处理的H62黄铜抛光，选用功率为370W，研磨盘转速为450转/分，研磨盘直径为230mm的金相试样预磨机，抛光过程需要辅助直径为200mm、1200目的SiC水砂纸在所述黄铜表面进行抛光处理，抛光范围为100cm2，抛光时间10分钟，得到表面抛光后的黄铜样品；
将所述表面抛光后的黄铜样品用超声波清洗仪清洗，超声波清洗仪超声波频率为40kHz，用电阻率为18.25兆欧的去离子水淹没样品表面，在室温下，连续清洗30分钟，然后再用无水乙醇清洗，清洗干净后，取出样品用蒸馏水淹没样品表面，连续清洗15分钟，室温自然晾干或冷风吹干，得到洁净的黄铜样品；
步骤2、采用短脉冲激光器，激光器波长为1064nm，对步骤1所述得到的洁净黄铜样品表面进行激光扫描加工，在样品表面加工出无数的微结构；所述激光器脉宽为240ns，单脉冲能量为0.48mJ，重复频率为115kHz，所述激光扫描利用X-Y扫描振镜装置，使激光束以1420mm/s的扫描速度逐行逐列烧蚀所述黄铜样品表面；所述振镜装置由X-Y光学扫描头、电子驱动放大器、光学反射镜片和场镜组成，所述振镜的扫描范围和速度、线扫描和面扫描路径均由电脑进行控制和设定，所述电脑提供的信号通过驱动放大电路驱动光学扫描头，从而在X-Y平面控制激光束的偏转，样品相对于激光光束沿x方向移动，通过控制移动速度和激光脉冲重复频率，使其脉冲重合度达到1％-99％，完成移动后，再沿y方向单步步进，通过控制步进距离，使其光束重合度在y方向达到1％-99％，工作台反转，所述样品加工范围为10mm×10mm；
样品经过所述激光加工后，将经过加工后的样品放入电热真空干燥箱里烘烤，在气压为普通大气压下，湿度为0％RH，温度为110℃条件下恒温烘烤24小时，得到所述的黄铜超疏水促冷凝表面；
步骤3、在步骤2所得的黄铜超疏水冷凝表面经激光加工处理出的黄铜超亲水表面，所述黄铜超亲水表面与黄铜超疏水表面交替连接形成多个子阵列，所述子阵列中黄铜超亲水表面与黄铜超疏水表面均为楔形或三角形，相邻两个所述子阵列之间设有超亲水汇集区，即得到超疏水-超亲水楔形或三角形相间的表面。
实施例2
本实施例的改性黄铜表面的制备方法，除步骤2与步骤3中所述激光器脉宽为200ns，单脉冲能量为0.48mJ，重复频率为115kHz；其余同实施例1。
实施例3
本实施例的改性黄铜表面的制备方法，除步骤2与步骤3中所述激光器脉宽为100ns，单脉冲能量为0.2mJ，重复频率为200kHz；其余同实施例1。
实施例4
本实施例的改性黄铜表面的制备方法，除步骤2与步骤3中所述激光器脉宽为240ns，单脉冲能量为0.7mJ，重复频率为80kHz，所述激光扫描利用多棱镜装置，使激光束以1002mm/s的速度逐行逐列烧蚀所述黄铜样品表面；其余同实施例1。
对比例1
该对比例为未进行处理的黄铜表面。
对比例2
该对比例为仅有黄铜超疏水表面的黄铜表面。
实验例
1、扫描电镜图(SEM)
将实施例1中得到的改性黄铜表面进行扫描，扫描电镜图(SEM)如图5所示。可看出其表面呈现纳米级的颗粒状结构；实施例2-实施例4的改性黄铜表面扫描电镜图均可呈现纳米级的颗粒状结构，结果相似，所以未放实施例2-实施例4部分的图。
2、冷凝测试
将实施例1-实施例4的改性黄铜表面，以及对比例1-2的黄铜表面进行冷凝测试。冷凝测试在密闭恒温恒湿实验室中进行，温度约为22±1℃。将直径为50mm的冷凝表面垂直安装在控制室中，使水剧烈煮沸以除去不可冷凝的气体。通过光学显微镜和高速相机(Photron FASTCAM SA4)观察凝结液滴的动态行为，通过量筒测量一定时间内样品冷凝液滴质量以及利用热电偶(TT-K-40)数据实时采集冷凝块内部的温度Ti。其中：室温为25℃，所述表面经冷凝后经计算，普通黄铜的冷凝传热系数为15.24W/㎡·K，测量接触角、滚动角的蒸馏水体积为7μL。
表1为本发明实施例1-实施例4制备得到的改性黄铜表面，以及对比例1、2的黄铜表面的接触角、滚动角以及冷凝效率的测试对比结果。
表1
| 实施例 | 接触角/° | 滚动角/° | 冷凝效率/W/㎡·K |
| 实施例1 | 158.9 | 3.2 | 91.651 |
| 实施例2 | 157.3 | 9.6 | 89.182 |
| 实施例3 | 154.2 | 2.8 | 87.564 |
| 实施例4 | 160.7 | 8.6 | 94.263 |
| 对比例1 | 69.5 | 无 | 39.642 |
| 对比例2 | 158.3 | 4.8 | 63.427 |
由表1可知，实施例1-实施例4制备得到的改性黄铜表面为超疏水-超亲水楔形或三角形相间的表面，非常利于滴状冷凝过程的实现和持续进行；具有非常好的超疏水性能，且在冷凝过程中依然保持超疏水-超亲水特性，冷凝效率高达94.263W/㎡·K。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种改性黄铜表面的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1、将待处理的黄铜表面进行抛光预处理，清洗、干燥后得到洁净的表面抛光后的黄铜样品；
步骤2、采用脉冲激光器对步骤1所得的黄铜样品表面进行激光扫描处理，在样品表面加工出多个微纳结构，再放入电热真空干燥箱内烘烤，即得到黄铜超疏水表面；
步骤3、在步骤2所得的黄铜超疏水冷凝表面经激光加工处理出的黄铜超亲水表面，所述黄铜超亲水表面与黄铜超疏水表面交替连接形成多个子阵列，所述子阵列中黄铜超亲水表面与黄铜超疏水表面均为楔形或三角形，相邻两个所述子阵列之间设有超亲水汇集区，即得到超疏水-超亲水楔形或三角形相间的表面。
2.如权利要求1所述的改性黄铜表面的制备方法，其特征在于，所述超疏水表面有微纳米二元表面结构，且滚动角小于10°，所述超疏水表面与位于其上的液体之间形成的接触角大于150°；所述超亲水表面与位于其上的液体之间形成的接触角为0°。
3.如权利要求1所述的改性黄铜表面的制备方法，其特征在于，所述步骤1中所述的抛光预处理采用功率为370W、研磨盘转速为450转/分、研磨盘直径为230mm的金相试样预磨机，且抛光预处理过程用直径为200mm、1000目的SiC水砂纸在所述黄铜表面进行抛光处理，抛光范围是100cm2，抛光时间10-20分钟。
4.如权利要求1所述的改性黄铜表面的制备方法，其特征在于，所述步骤1中清洗、干燥的具体步骤为：将抛光后的黄铜样品放在盛有去离子水的超声波清洗仪中清洗，清洗干净后，将所述黄铜样品表面用冷风吹干或室温自然晾干，得到洁净的表面抛光后的黄铜样品。
5.如权利要求4所述的改性黄铜表面的制备方法，其特征在于，所述超声清洗仪的超声频率为40kHz，所述去离子水电阻率为18.25兆欧，所述去离子水将黄铜样品表面淹没，在室温下连续清洗20-60分钟。
6.如权利要求1所述的改性黄铜表面的制备方法，其特征在于，所述步骤2与步骤3中所用的激光为超短脉冲激光器，其波长小于1550nm，其重复频率为70kHz-1000kHz；所述步骤2与步骤3中所用的激光加工参数为：脉宽为10ns-500ns，单脉冲能量小于1.1mJ。
7.如权利要求1所述的改性黄铜表面的制备方法，其特征在于，所述步骤2与步骤3中所用的激光为超短脉冲激光器，其波长为1064nm，其重复频率为80kHz-200kHz；所述步骤2与步骤3中所用的激光加工参数为：脉宽为100ns-240ns，所述单脉冲能量为0.2mJ-0.7mJ。
8.如权利要求1所述的改性黄铜表面的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，制备完毕后用锡箔纸包裹，并放入封口样品袋中，再放入电热真空干燥箱内烘烤，所述电热真空干燥箱内压力为-0.101Mpa，湿度为0％RH，温度为100℃-250℃，所述样品烘烤的时间为2-24小时，所述电热真空干燥箱内的温度误差为±1℃。
9.一种如权利要求1-8任一所述方法所制备得到的改性黄铜表面。
10.权利要求9所述的改性黄铜表面在提高冷凝传热效率中的应用。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN110842360A (zh) * | 2019-11-28 | 2020-02-28 | 长春理工大学 | 一种基于飞秒激光拼接加工技术提升表面池沸腾换热性能的方法 |
| CN111975202A (zh) * | 2020-07-23 | 2020-11-24 | 江苏大学 | 一种异种金属材料的激光焊接方法 |
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2018
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| CN110842360B (zh) * | 2019-11-28 | 2021-10-12 | 长春理工大学 | 一种基于飞秒激光拼接加工技术提升表面池沸腾换热性能的方法 |
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