电化学和化学加工法制备铝基体超双疏表面.pdf

第 4 9 卷第 5期 2 01 3 年3 月 机械工程学报 J OURNAL OF M ECHANI CAL ENGI NEERI NG Vo1 49 NO 5 M a r 201 3 DoI ： 1 O 3 9 0 1 J M E 2 0 1 3 O 5 1 8 2 电化学和化学 j n - r 法制备铝基体超双疏表面水 宋金龙 徐文骥 陆 遥刘 新 魏泽飞 孙 晶 ( 大连理工大学机械工程学院大连 1 1 6 0 2 4 ) 摘要： 通过电化学和化学加工技术在铝基体上制备出超双疏( 超疏水一 超疏油) 表面， 并用扫描电子显微镜、 X射线粉末衍射仪、 能量色散 x 射线光谱仪和光学接触角测量仪对所得样品表面的微观形貌、化学成分和润湿性进行了分析。研究结果表明， 电化学和化学加工后的铝样品表面存在由微米级的长方形凸台铝结构和纳米级的针状勃姆石、 氧化铝结构所构成的二元微纳 米粗糙结构；此样品表面在氟化处理前显示超亲水一 超亲油性；经氟化处理后，样品表面转变为超双疏性，水、甘油、花生 油、十六烷在样品表面的接触角分别为 1 6 6 6 。 、1 6 4 7 。 、1 6 0 1 。 和 1 5 7 7 。 ，滚动角分别为 2 0 。 、2 0 。 、4 0 。 和 3 5 。 ；二元微纳 米粗糙结构的获得及表面能的降低是铝表面获得超双疏性的必要条件。与已有方法相比，电化学和化学加工技术具有简单、 高效、安全、成本低等优点。 关键词：超疏水超疏油 电化学加工化学加工 中图分类号：T G 6 6 Re s e a r c h o n El e c t r o c h e mi c a l a nd Ch e mi c a l M a c h i n i n g Te c h no l o g y o f S u pe r a mph i p h o b i c S u r f a c e s o n AI S ub s t r a t e s S 0NG J i n l o n g XU Wle n i i L U Ya o LI U Xi n W E I Ze f e i S UN J i n g ( S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， Da l i a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , Da l i a n 1 1 6 0 2 4 ) Ab s t r a c t ： S u p e r a mp h i p h o b i c ( b o t h s u p e r h y d r o p h o b i c a n d s u p e r o l e o p h o b i c )s u r f a c e s o n A 1 s u b s t r a t e s a r e f a b ri c a t e d v i a e l e c t r o c h e mi c a l an d c h e mi c a l ma c h i n i n g t e c h n o l o g y T h e s u r f a c e mo r p h o l o g y , c h e mi c a l c o mp o s i t i o n ， a n d we t t a b i l i t y o f t h e s a mp l e s u r f a c e s a r e i n v e s t i g a t e d u s i n g s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p y , X r a y d i ffr a c t i o n ， e n e r gy - d i s p e r s i v e s p e c tr o s c o p y , a n d o p t i c a l c o n t a c t a n g l e me a s u r e me n t s Th e r e s u l t s s h o w t h a t ，a ft e r t h e e l e c t r o c h e m i c a l an d c h e m i c a l ma c h i n i n g ， t h e mi c r o n a n o me t e r - s c a l e b i n a r y r o u g h s t r u c t u r e s c o mp o s e d o f mi c r o me t e r - s c a l e r e c t ang u l a r - s h a p e d p l a t e a u s t r u c t u r e s an d n ano me t e r - s c a l e n e e d l e -l i k e b o e h mi t e a n d a l u mi n a s t r u c t u r e s are p r e s e n t o n t h e s a mp l e s urf a c e s T h e o b t a i n e d s a mp l e s urf a c e s s h o w s u p e r h y d r o p h i l i c i t y a n d s u p e r o l e o p h i l i c i t y b e f o r e fl u o ri n a t i o n W h e r e a s ， a fte r flu o ri n a t i o n ， t h e s a mp l e s u r f a c e s c h an g e t o s u p e r a mp h i p h o b i c T h e wa t e r c o n t a c t an g l e s o f wa t e r , g l y c e r o l ， p e anu t O i 1 ， an d h e x a d e c a n e are 1 6 6 6 。 ， 1 6 4 7 。 ， 1 6 0 t 。 ， and 1 5 7 7 。 ， r e s p e c t i v e l y T h e wa t e r r o l l i n g an g l e s o f wa t e r , g l y c e r o l ， p e an u t o i l ， a n d h e x a d e c a n e are 2 。 ， 2 。 ， 4 。 ， an d 3 5 。 ， r e s p e c t i v e l y Th e a c q u i r e m e n t o f t h e mi c r o n an o me t e r - s c a l e r o u g h s t r u c t u r e s a n d t h e r e d u c t i o n o f t h e s urf a c e e n e r gy a r e e s s e n t i a l t o f a b ri c a t e s u p e r a mp h i p h o b i c s u r f a c e s Co mp a r e d wi t h t h e o t h e r me t h o d s ， t h e ma i n a d v an t a g e s o f t h e e l e c tro c h e mi c a l an d c h e mi c a l ma c h i n i n g t e c h n o l o g y are s i mp l e ， h i g h l y e ff e c t i v e ， s a f e ， an d l o w c o s t Ke y wo r d s ：S u p e r h y d r o p h o b i c S u p e r o l e p h o b i c El e c tro c h e mi c a l ma c h i n i n g Ch e mi c a l ma c h i n i n g 0 前言 超双疏 表面是指水滴和 油滴在 其上的接触角 均大于 1 5 0 o ，滚动角均小于 1 O 。 的表面，即同时具 有超疏水性和超疏油性的表面 J 。超疏水表面因具 有 自 清洁、减阻、耐腐蚀、抗结冰结霜等特性，受 到研究人员的广泛关注【2 。 。 但普通超疏水表面并不 具有超疏油性，一旦水中含油污时，易被油污污染 而丧失超疏水性【 4 】 。因此，与普通超疏水表面相 比， 国家 自然科学基金( 9 0 9 2 3 0 2 2 ) 和教育部博士研究生学术新人奖资助 项 目。2 0 1 2 0 8 2 4收到初稿，2 0 1 2 1 2 2 7收到修改稿 制备超双疏表面具有更大的应用价值 。 金属基体超双疏表面 的制备方法与超疏 水表 面类似，都是先在金属基体上制备出粗糙结构，再 经低表面能材料修饰来降低表面能。但 由于油类液 体的表面张力远小于水，因此获得超疏油表面较为 困难。尽管目前已有大量方法可制备出金属基体超 疏水表面，但有关制备金属基体超双疏表面的报道 却较少。T U T E J A 等L 5 】 以硫酸为电解液通过电化学 腐蚀在铝表面上得到裂缝状分形粗糙结构，经氟化 单烷基磷 酸盐修饰后 ，呈现超双疏性质 。ME NG 等【 6 】 使用十九氟癸酸刻蚀在锌基体上制备出具有纳 米片状结构 的超双疏表面。WU 等L 7 J 依次采用硫酸 钠和草酸为 电解液，使用二步 电化学阳极氧化法在 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 年 3月 宋金龙等：电化学和化学加工法制备铝基体超双疏表面 1 8 9 化学加工 时间的延长 ，表面纳米 结构不断生长变 大【 2 o J 。纳米结构 的形成会使二元微纳米粗糙结构捕 获空气，使油滴隔着空气与二元微纳米粗糙结构接 触。纳米结构的不断变大，增强了二元微纳米结构 捕获空气 的能力，减小 了油滴与 固体间的接触面， 使得油滴的接触角增大、滚动角减小。当纳米结构 增大到一临界值时，二元微纳米结构捕获空气的能 力不再变化，即油滴与固体间的接触面不再减小， 最终导致花生油和十六烷 的润湿性不再发生变化 。 3 结论 ( 1 )采用 电化学和化学加工技术可 以获得超双 疏表面，水在样品表面的接触角达 1 6 6 6 。 ，滚动角 为 2 o ；甘油在样 品表面的接触角达 1 6 4 7 。 ，滚动角 为 2 。 ；花生油在样品表面的接触角达 1 6 0 1 。 ，滚动 角为 4 。 ；十六烷在样品表面的接触角达 1 5 7 7 。 ，滚 动角为 3 5 。 。 ( 2 )通过 S E M、X R D 和 E DS对 电化学和化学 加工后铝表面的形貌和化学成分进行分析 ，结果表 明 由微米级长方形块状铝 结构和纳米级针状 勃姆 石、氧化铝结构所构成的二元微纳米粗糙结构的获 得和表面能的降低是加工出铝基体超双疏表面的必 要条件 。 ( 3 )4 0 mi n 以内的化学加工时间对水和甘油的 润湿性影响不大，但对花生油和十六烷 的润湿性有 较大影响； 超过 4 0 mi n的化学加工时间对不同种类 液体的润湿性影响不大。 参考文献 1 】 Z H AO Ku n ， L I U Ke s o n g， L I J i a n f u ， e t a 1 S u p e r a mp h i p h o b i c C a L i b a s e d b u l k me t a l l i c g l a s s e s J S c r i p t a Ma t e r i a l i a ， 2 0 0 9 ，6 O ( 4 ) ：2 2 5 - 2 2 7 2 】L I B a o j i a ， Z HO U Mi n g ， QI A N Ku n x i ， e t a 1 D e s i g n a n d f a b ric a t i o n o f s u p e r - h y d r o p h o b i c s u r f a c e s o n s i l i c o n wa f e r s and s t u d y o f e ff e c t s t o h y d r o p h o b i c i t ) r J C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h ani c a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 8 ， 2 1 ( 4 ) ：1 8 2 1 3 】 DO NG C h a n g s h e n g ，GU Yu ，Z HO NG Mi n l i n ，e t a 1 F a b ri c a t i o n o f s u p e r h y d r o p h o b i c Cu s u r f a c e s wi t h t u n a b l e r e g u l a r mi c r o an d r a n d o m n a n o s c a l e s t r u c t u r e s b y h y b ri d l a s e r t e x t u r e and c h e mi c a l e t c h i n g J J o u r n a l o f Ma t e r i a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ，2 0 1 1 ，2 1 l ( 7 ) ： 1 2 3 4 1 2 4 0 4 】 T UT E J A A，C HO I W，MA Mi n l i n g ，e t a 1 De s i g n i n g s u p e r o l e o p h o b i c s u r f a c e s J S c i e n c e ，2 0 0 7 ，3 1 8 ( 5 8 5 6 ) ： 1 61 8 1 62 2 5 】 T S U J I I K，Y AMAMO T O T，O ND A T，e t a 1 S u p e r o i l - r e p e l l e n t s u r f a c e s J An g e wand t e C h e mi c ，1 9 9 7 ， 3 6 ( 9 ) ：1 0 1 I - 1 0 1 2 6 ME NG Ha i f e n g ，WA NG S h u t a o ，XI J i n mi n g ，e t a 1 F a c i l e me a n s o f p r e p a r i n g s u p e r a mp h i t h o b i c s u r f a c e s o n c o m n l o n e n g i n e e r i n g me t a l s J T h e J o u r n a l o f P h y s i c a l C h e mi s t r y C 2 0 0 8 ，l 1 2 ( 3 0 ) ：1 1 4 5 4 1 1 4 5 8 7 WU We i c i ，WA NG X i a o l o n g ，WANG D a o a i ，e t a 1 Al u m i n a n an o wi r e f o r e s t s v i a u n c o n v e n t i o n a l a n o d i z a t i o n a n d s u p e r - r e p e U e n c y p l u s l o w a d h e s i o nt o d i v e rse l i q u i d s J C h e m i c a l C o mmuni c a t i o n s ， 2 0 0 9 ，9 ： 1 0 4 3 1 0 4 5 【 8 】 Z HU Xi a o t a o ，Z H A NG Z h a o z h u ，X U X i ang h u i ，e t a 1 F a c i l e f a b ric a t i o n o f a s u p e r a mp h i p h o b i c s u r f a c e o n t h e c o p p e r s u b s t r a t e J J o u r n a l o f C o l l o i d and I n t e r f a c e S c i e n c e ， 2 0 1 2 ，3 6 7 ( 1 ) ：4 4 3 4 4 9 9 Z HU Xi a o t a o ，Z HA NG Z h a o z h u ，XU Xi a n g h u i ，e t a 1 Ra p i d c o n t r o l o f s wi t c h a b l e o i l we t t a b i l i t y an d a d h e s i o n o n the c o p p e r s u b s t r a t e J L ang mu i r ，2 0 1 l ，2 7 ( 2 3 ) ： 1 4 5 0 8 1 4 5 1 3 1 0 】T A NG Xi n g h m，Z H ANG Z h ij i n g ，Z HO U Z h a o y ing ， e t a 1 Au t o r e g e s s i v e mo d e l an d p o we r s p e c t r u m c h a r a c t e ri s ti c s o f c u r r e n t s i g n a l i n h i g he q u e n c y g r o u p p u l s e mi c r o e l e c tr o c h e mi c a l ma c h i n i n g j C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h ani c a l E n g ine e ri n g，2 0 0 6，1 9 ( 2 ) ： 2 6 0 2 6 4 f 1 1 庞桂兵，阿达依 谢尔亚孜旦，徐文骥，等展成式电 化学机械光整加工圆柱齿轮的齿面质量与精度特性 力 机械工程学报，2 0 1 1 ，4 7 ( 1 9 ) ：1 6 3 - 1 6 7 P A NG G u i b i n g ，A DA YI Xi e e r y a z i d a n ， XU We n j i ， e t a 1 S u r f a c e q u a l i t y an d a c c u r a c y c h a r a c t e ris t i c s o f c y l i n d r i c a l g e ars b y g e n era t i v e e l e c tro c h e mi c a l - me c h ani c a l fin i s h ing J _ J o u r n a l o f Me c h ani c a l E n g i n e e ri n g ，2 0 1 1 ，4 7 ( 1 9 ) ： 1 6 3 1 6 7 1 2 】 周平，郭东明，康仁科，等电化学机械平坦化抛光 垫混合软弹流润滑行为数值研究【 J 机械工程学报， 2 0 1 2 ，4 8 ( 7 ) ：1 8 0 - 1 8 5 ZHOU Pi n g，GUO Do n g mi n g ，KANG Re n k e ，e t a 1 Nume r i c a l s t u d y o n the mi x e d s o f t Ehs t o h y d r o d 3 n a mi c l u b ri c a ti o n b e h a v i o r o f E C MP p a d J J o u r n a l o f Me c h ani c a l E n g i n e e ri n g ，2 0 1 2 ，4 8 ( 7 ) ： 1 8 0 - l 8 5 【 1 3 】 王建业，徐家文电解加工原理及应用 M】 北京：国 防工业出版社，2 0 0 1 WANG J i any e ，XU J i a we n P r i n c i p l e a n d a p p l i c a t i o n o f e l e c t r o c h e mi c a l ma c h i n i n g M B e i j i n g ： Nat i o n a l De f e n c e Ind u s t r y P r e s s ，2 0 01 1 4 】 徐文骥，宋金龙，刘新，等大面积超疏水铝表面的 电化学 I1 ： E E J 材料科学与工艺，2 0 1 2 ( 2 ) ：5 2 - 6 0 XU We n j i ， S ON G J i n l o n g， L 1 U X i n， e t a 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 9 0 机械工程学报 第 4 9 卷第 5期 1 5 】 1 6 】 1 7 1 8 1 9 】 El e c t r o c h e mi c a l ma c h i n i n g o f l a r g e a r e a s u p e r h y d r o p h o b i c A 1 s u r f a c e s J Ma t e ri a l s S c i e n c e& T e c h n o l o g y ，2 0 1 2 ( 2 ) ：5 2 - 6 0 Q I A N B a i t a i ， S HE N Z i q i u F a b ri c a t i o n o f s u p e r h y d r o p h o b i c s u r f a c e s b y d i s l o c a t i o n - s e l e c t i v e c h e mi c a l e t c h i n g o n a l u mi n u m ， c o p p e r， a n d z i n c s u b s t r a t e s J L a n g mu i r ，2 0 0 5 ，2 1 ( 2 0 ) ：9 0 0 7 9 0 0 9 YI N L o n g ，WANG Yu a n y i ，DI NG J i a n f u，e t a 1 W a t e r c o n d e n s a t i o n o n s u p e r h y d r o p h o b i c a l umi n u m s u r f a c e s w i t h d i f f e r e n t l o w- s u r f a c e - e n e r g y c o a t i n g s J Ap p l i e d S u r f a c e S c i e n c e ，2 0 1 2 ，2 5 8 ( 8 ) ：4 0 6 3 4 0 6 8 Y1 N Bo， F ANG Li a n g ， HU J i n ， e t a 1 A f a c i l eme t h o df o r f a b ric a t i o n o f s u p e r h y d r o p h o b i c c o a t i n g o n a l u mi n u m a l l o y J S u r f a c e a n d I n t e r f a c e An a l y s i s ，2 0 1 2 ，4 4 ( 4 ) ： 4 3 9 4 4 4 W E NZ EL R N Re s i s t a n c e o f s o l i d s u r f a c e s t o we t t i n g b y wa t e r J I n d u s t r i a l& E n g i n e e ri n g C h e mi s t r y 1 9 3 6 ， 2 8 ( 8 ) ：9 8 8 9 9 4 CAS S I E A B D ， BAXT E R S W e tt a b i l i t y o f p o r o u s s u r f a c e s J T r a n s a c t i o n s o f the F ara d a y S o c i e t y ， 1 9 4 4 ， 4 0 ： 5 4 6 5 51 【 2 0 】 J A F AR I R ， F AR Z AN E H M F a b ri c a t i o n o f s u p e r h y d r o p h o b i c n a n o s t r u c t u r e d s urf a c e o n a l um i n um a l l o y J Ap p l i e d P h y s i c s A， 2 0 1 1 ，1 0 2 ：1 9 5 1 9 9 作者简介：徐文骥( 通信作者) ，男，1 9 6 4年出生 ，博士，教授，博士研 究生导师。主要研究方向为非传统加工工艺与设备。 E ma i l ：we n j i x u d l u t e d u c n 宋金龙，男，1 9 8 7年出生，博士研究生。主要研究方向为金属基体超疏 水表面制备技术。 E - m a i l s o n g j i n l o n g ma i l d i m e d u c n 陆遥，男，1 9 8 6年出生。主要研究方向为钛基体超双疏表面制备技术。 E ma i l ：l u c i o lu 1 2 6 t o m 刘新， 男，1 9 8 1 年出生， 博士研究生。 主要研究方向为静电冷却切削技术。 E - ma i l x i n l i u ma i l d l u t e d u c a 魏泽飞，男，1 9 8 1 年出生，博士研究生。主要研究方向为电化学机械光 整加工技术。 E - ma i l ：w e iz e f e i 1 6 3 c o rn 孙晶，女，1 9 7 4年出生，博士，副教授。主要研究方 向为产品三维重建 与可视化技术。 E ma i l ：s tm j i n g d I u t e d u c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m