[發明專利]一種納米結構三維分布的超雙疏金屬表面及其制備方法

有效

• 申請號: 201810316726.4
• 申請日: 2018-04-10
• 公開（公告）號: CN108466015B
• 公開（公告）日: 2020-09-29
• 發明（設計）人: 鐘敏霖;張紅軍;韓金鵬
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: B23P15/00
• 分類號: B23P15/00;B23K26/00;B23K26/352;B23K26/362;B23K26/60;C23C22/60
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

一種納米結構三維分布的超雙疏金屬表面及其制備方法，屬于功能材料技術領域。該超雙疏表面是在金屬基材上分布有三維微米陣列結構，陣列表面分布有柔性、纖薄納米綢帶狀單元互相纏繞形成的納米草狀結構。所述方法首先利用超快激光圖案化燒蝕金屬基材表面形成三維微米結構，然后通過化學浴氧化在三維微米結構表面形成納米草狀結構，再用全氟癸基三甲氧基硅烷進行表面改性處理，實現超疏水超疏油功能。該超雙疏表面具有優異的耐久性，其制備方法簡單易行、快速高效、可大面積制備，能在室外等多種外界環境下長時間保持自清潔性能，在國防、工業生產、日常生活等領域具有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明涉及一種具備良好耐久性的超雙疏(同時超疏水與超疏油)表面及其制備方法，具體涉及一種納米結構三維分布的耐久性超雙疏金屬表面及其激光、化學復合制備方法，屬于功能材料技術領域。

背景技術

具有特殊浸潤性的表面因其有趣的現象和廣泛的應用前景而一直以來備受關注。在這些特殊浸潤性表面中，超疏水表面是最為經典的領域，已經被研究數十年。目前，超疏水表面背后的機理已經得到了較為成熟的研究和闡明，即低自由能的表面成分和微納復合的表面結構是實現超疏水性以及自清潔功能的兩個關鍵因素。最近，另一種特殊浸潤性表面，即超雙疏表面吸引了研究者的廣泛關注。超雙疏表面能同時實現對水和油的超疏性能，即接觸角大于150°同時滾動角小于10°。超雙疏表面在國防、工業生產、日常生活的各個領域均有著更加廣泛的應用前景，如抗油涂層、自清潔、油水分離、油滴操作、抗腐蝕等，因此近年來有關人工超疏水表面的制備吸引了科研和工業領域越來越多的關注。

由于油的表面張力遠小于水，因此超雙疏表面的實現難度較超疏水表面提高很多，僅靠低自由能的表面成分和常規微納復合表面結構無法實現良好的超疏油性能。研究發現，制備超雙疏表面需要引入具有凹角特征的結構，因為在凹角結構中，沿著固液接觸線的表面張力所引起的壓力方向向上，從而能夠起到平衡向下的拉普拉斯壓力和油滴重力的作用；再配合微納米復合結構和低自由能成分，將在油滴和微納米結構之間形成空氣層，從而達到Cassie狀態，實現油滴在結構表面自由滾動的特性，即自清潔功能。因此，具有凹角特征的結構對實現超雙疏性能具有關鍵作用。

目前已發表的具有凹角特征的超雙疏表面中，其凹角結構的設計主要分為以下兩種思路：第一種設計思路是制備出具有凹角特征的規則微米結構，包括懸臂微米結構、蘑菇狀微米結構、倒梯形微米結構等。這些結構提供微米尺度的凹角特征，能夠實現優良的超雙疏性能，如專利CN104768868A、專利CN102180016A、專利CN105220185A、專利CN105274490A、專利CN103030104A等。例如專利CN105220185A提出一種超雙疏微柱陣列表面織構的制備方法，包括光刻、電鑄、二次電鑄等7個步驟，得到的規則微柱陣列結構在進行低表面能修飾后具備良好的超雙疏性能。這類思路雖然能實現優異的超雙疏性能，但大多需要采用光刻、干法刻蝕等方法進行多步操作，技術難度大、制備效率低且制備成本高，難以批量制備并在實際生活和生產中大規模應用。第二種設計思路是在平基底或較淺微米結構基底上生長具有凹角特征的納米結構，包括納米線結構、納米纖維結構、納米棒結構、納米片結構、納米網狀結構及其他納米多孔結構，如專利CN104372527A、專利CN102677141A、專利CN105820605A、專利CN107237128A和專利CN101545106等。專利CN101545106提出一種一步浸泡法制備金屬超雙疏表面的方法，將金屬基底在全氟脂肪酸溶液中浸泡得到納米片結構，配合全氟脂肪酸鹽的低自由能，實現良好的超雙疏性。這類思路通常采用化學方法生長納米結構，制備過程相對簡單，但所生長出的納米結構為隨機生長，僅有部分納米結構具有凹角特征，因此所產生的凹角結構往往不夠豐富，導致其超雙疏性能弱于具有凹角特征的微米結構。此外，在實際應用中，超雙疏表面不可避免地將會受到諸多外界環境刺激，如機械破壞、紫外線輻照、化學反應、細菌污染等等。在這些外界環境刺激的作用下，常規超雙疏表面的結構或成分會遭到損壞，不再具有自清潔功能，從而失去應用價值。因此，如何制備高耐久性的超雙疏表面是目前超雙疏研究領域亟待解決的問題，也是超雙疏表面從實驗室走向實際應用的一大瓶頸。然而，目前已報道的超雙疏表面還未很好地解決耐久性這一難題。