一种铝合金表面仿生疏水石墨烯薄膜的制备方法技术

本发明专利技术属于金属材料表面修饰领域，涉及一种在铝合金基体上构筑仿生疏水石墨烯的方法，先采用表面机械加工技术对铝合金表面进行微结构加工，制备了具有仿生凸凹结构的阵列式表面结构；再对铜箔衬底清洗除去表面的氧化膜；接着，采用化学气相沉积法在铜箔衬底上原位生长石墨烯，最后采用化学刻蚀的方法除去铜箔衬底，并将石墨烯转移到铝合金表面。本发明专利技术方法简单易行、重现性高且耐久性，所制备产品在室温条件下表现出较高的稳定性和耐久性，本发明专利技术对以后铝合金的使用和发展具有重要的意义，也为在其它金属基体上制备疏水自清洁表面提供了借鉴意义。同时，也能推动石墨烯自身的广泛应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属材料表面修饰领域，具体涉及一种在铝合金基体上构筑仿生超疏水石墨烯薄膜的方法。
技术介绍
铝合金由于具有密度小、便于加工、防腐性能好和机械强度高等显著特点，广泛应用于现代工业中。然而，铝合金表面却很容易受到中性溶液中氯离子的腐蚀，限制了铝合金的应用。因此，需要制备出具有表面超疏水性质的铝合金材料。一方面，超疏水表层结构的形成能够提高铝合金的防腐特性，延长铝合金的使用寿命；另一方面，能够延伸铝合金的应用范围，赋予铝合金以不粘、自清洁和减阻等特性，扩展了铝合金在航海和飞机应用材料中的应用。自然界中，许多动植物的表面都具有超疏水的性质，植物叶表面的自清洁性质最具代表性的是荷叶。荷叶表面是由分层随机分布的微米和纳米级结构组成，水在这种疏水表面具有较大的接触角及较小的滚动角，该独特结构赋予了荷叶表面优异的超疏水性能。由于铝合金表面是高能表面，其表面由亲水转向疏水可通过以下两种方式:一种是对其表面进行阵列式粗糙结构的特殊形貌构建，实现超疏水性；另一种是用低表面能材料进行修饰，形成具有超疏水性能的保护膜。石墨烯是一种新型二维碳原子材料，由于其高导电性、在可见光范围内高光学透明度、优异的载流子迀移率、化学惰性、热稳定性和高机械轻度等，引起了中外学者的广泛关注。由于石墨烯会对材料表面的润湿性产生影响，很多学者试图利用石墨烯的柔性构筑类似荷叶表面的仿生表面，在实现表面超疏水的同时，赋予材料表面其它性质，如防腐特性和耐磨性等。仿生超疏水表面的制备方法很多，国内外普遍有化学刻蚀法、化学气相沉积法(CVD法)、微弧氧化法、激光刻蚀法、溶胶-凝胶法、模板法和阳极氧化法等，其中，CVD法是一种制备高质量石墨烯的方法，具体工艺是将甲烷和氢气的混合气体通入到高温加热的金属基底表面，在高温条件下反应持续一定时间后进行冷却，冷却过程中在基底表面便会形成数层或单层石墨烯，此过程中包含碳原子在基底上溶解及扩散生长两部分。该方法的优点是可以在较低温度下进行，从而降低制备过程中能量的消耗量。并且，石墨烯与基底可以通过化学腐蚀的方法容易地分离，有利于后续对石墨烯进行加工处理。将CVD法制备具有低表面能的石墨烯薄膜与在铝合金表面构建阵列式粗糙结构的技术有机结合，在铝合金表面构筑出类似荷叶结构的仿生超疏水表面，实现铝合金表面超疏水自清洁的特性，对以后铝合金的使用和发展具有重要的意义，也为在其它金属基体上制备超疏水自清洁表面提供了借鉴。同时，也能推动石墨烯自身的广泛应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供，提高铝合金表面的疏水性。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的:，包括以下步骤:A、铝合金基底的处理:去除铝合金表面的氧化层，并将其表面加工为阵列式圆柱状凸包结构；B、石墨烯薄膜的制备:B1、铜箔衬底的处理:铜箔衬底的表面清洗:室温下，依次用无水乙醇、丙酮和蒸馏水去污清洗，再放入浓度为10%?20%的盐酸溶液中浸泡5min，去除其表面氧化层后水洗并烘干；退火:在防氧化气氛中进行退火处理，退火时间为0.5h，温度为1000°C ;B2、化学气相沉积法制备石墨烯薄膜:向管式反应炉中通入体积比为1:1的甲烷、氢气混合气体，在铜箔衬底表面上生长石墨稀薄膜，通入混合气体的流速为lOmms，反应温度为1030°C，反应完成后冷却至室温；C、石墨烯薄膜的湿法转移:Cl、从反应炉中取出步骤B2制得的表面具有石墨稀薄膜的铜箔，在石墨稀薄膜表面旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，并于100°C固化；C2、以浓度为200mg/ml的刻蚀剂将铜箔衬底完全刻蚀，然后，用蒸馏水将刻蚀后的复合PMMA的石墨稀薄膜反复浸泡清洗，除去剩余刻蚀剂；C3、将复合PMMA的石墨烯薄膜覆盖在步骤A中制得的铝合金基底表面，并100°C固化使石墨烯薄膜与铝合金复合一体；D、PMMA层的去除:将步骤C3得到的复合PMMA、石墨烯薄膜的铝合金置入丙酮溶液中，除去PMMA层。步骤A中所述阵列式圆柱状凸包结构的凸包直径为ΙΟΟμπι和250 μπι，凸包高为10 μm，相邻凸包间距为200 μ??和350 μm。步骤B2中所述防氧化气氛为体积比为1:1的氢气、氩气混合气体。步骤B2中所述铜箔衬底表面生长石墨稀薄膜的生长时间为40min。步骤Cl中所述PMMA的浓度为50mg/ml，溶剂为氯代苯或苯甲醚。步骤C2中所述刻蚀剂为过硫酸铵水溶液或三氯化铁水溶液。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为:(I)在铝合金基底上构筑了具有微米尺度双层分级结构的超疏水性石墨烯薄膜，其疏水结构均匀、紧密，所制铝合金表面仿生超疏水石墨烯薄膜在室温下表现出较高的稳定性和耐久性。(2)不经任何激光加工处理的铝合金样本接触角为88±2° ;当加工凸包直径为250 μm时，接触角为118±2°，经过石墨稀修饰后，招合金材料表面的接触角进一步提高，增加到了 130±2° ;当加工凸包直径为ΙΟΟμπι时，接触角达到了 115±2°，经过石墨烯修饰后，铝合金材料表面的接触角增加到了 128° ±2°。(3)与普通的石墨烯制备和超疏水结构构筑方法相比，此方法简单易行、重现性高且具有耐久性，通过对金属基材的表面加工和CVD法制备石墨烯的转移，构筑出具有特定结构的仿生超疏水表面，实现了仿生超疏水石墨稀薄膜的结构可控。【附图说明】图1a为本专利技术铜箔衬底表面SEM图。图1b为本专利技术未经盐酸预处理的铜箔衬底表面生长的石墨烯在3000倍放大倍率下的SEM图。图1c为本专利技术未经盐酸预处理的铜箔衬底表面生长的石墨烯在6000倍放大倍率下的SEM图。图1d为本专利技术未经盐酸预处理的铜箔衬底表面生长的石墨烯在10000倍放大倍率下的SEM图。图2a为本专利技术经盐酸预处理的铜箔衬底表面生长的石墨烯在500倍放大倍率下的SEM图ο图2b为本专利技术经盐酸预处理的铜箔衬底表面生长的石墨烯在3000倍大倍率下的SEM 图。图2c为本专利技术经盐酸预处理的铜箔衬底表面生长的石墨烯在6000倍放大倍率下的SEM图ο图2d为本专利技术经盐酸预处理的铜箔衬底表面生长的石墨烯10000倍放大倍率下的SEM图ο图3a为本专利技术构筑仿生超疏水石墨烯后铝合金表面在50倍放大倍率下的SEM图，其中，凸包直径为250 μπι。图3b为本专利技术构筑仿生超疏水石墨烯后铝合金表面在100倍放大倍率下的SEM图，其中，凸包直径为250 μπι。图3c为本专利技术构筑仿生超疏水石墨烯后铝合金表面在50倍放大倍率下的SEM图，其中，凸包直径为ΙΟΟμπι。图3d为本专利技术构筑仿生超疏水石墨烯后铝合金表面在100倍放大倍率下的SEM图，其中，凸包直径为ΙΟΟμπι。图4为本专利技术构筑仿生超疏水石墨烯后铝合金表面的静态接触角。【具体实施方式】本专利技术仿照荷叶、玫瑰花、甲壳虫等动植物表面所具有的双层分级结构，先采用表面机械加工技术对铝合金表面进行微结构加工，制备了具有仿生凸凹结构的阵列式表面结构；再对铜箔衬底清洗除去表面的氧化膜；接着，采用CVD法在铜箔衬底上原位生长石墨烯，最后采用化学刻蚀的方法除去铜箔衬底，并将石墨烯转移到铝合金表面。本专利技术将机械加工构建阵列式粗糙结构表面和表面生长低表面能石墨烯的双重方式相结合，在铝合金上构筑超疏水的表面。下面结合附图描述本专利技术的实施例，但本专利技术并不局限于此:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铝合金表面仿生超疏水石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：A、铝合金基底的处理：去除铝合金表面的氧化层，并将其表面加工为阵列式圆柱状凸包结构；B、石墨烯薄膜的制备：B1、铜箔衬底的处理：铜箔衬底的表面清洗：室温下，依次用无水乙醇、丙酮和蒸馏水去污清洗，再放入浓度为10％～20％的盐酸溶液中浸泡5min，去除其表面氧化层后水洗并烘干；退火：在防氧化气氛中进行退火处理，退火时间为0.5h，温度为1000℃；B2、化学气相沉积法制备石墨烯薄膜：向管式反应炉中通入体积比为1：1的甲烷、氢气混合气体，在铜箔衬底表面上生长石墨烯薄膜，通入混合气体的流速为10mms，反应温度为1030℃，反应完成后冷却至室温；C、石墨烯薄膜的湿法转移：C1、从反应炉中取出步骤B2制得的表面具有石墨烯薄膜的铜箔，在石墨烯薄膜表面旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯，并于100℃固化；C2、以浓度为200mg/ml的刻蚀剂将铜箔衬底完全刻蚀，然后，用蒸馏水将刻蚀后的复合聚甲基丙烯酸甲酯的石墨烯薄膜反复浸泡清洗，除去剩余刻蚀剂；C3、将复合聚甲基丙烯酸甲酯的石墨烯薄膜覆盖在步骤A中制得的铝合金基底表面，并100℃固化使石墨烯薄膜与铝合金复合一体；D、聚甲基丙烯酸甲酯层的去除：将步骤C3得到的复合聚甲基丙烯酸甲酯、石墨烯薄膜的铝合金置入丙酮溶液中，除去聚甲基丙烯酸甲酯层。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘燕，郑再航，白苑，李淑一，韩志武，任露泉，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22