梯度阴极沉积法制备低温高湿液滴驱动铜丝的方法技术

本发明专利技术公开了一种梯度阴极沉积法制备低温高湿液滴驱动铜丝的方法，属于界面化学技术领域。本发明专利技术利用气泡模板法和梯度阴极沉积方法相结合的处理技术，以仿蜘蛛丝纺锤节表面高湿环境中特殊浸润性质为理论基础，创新地利用一步法在浸润性梯度锥形铜表面上引入一个纳米结构差异性梯度，解决了浸润性梯度表面在低温高湿环境中失效的技术问题，实现了铜表面低温高湿环境下液滴可控驱动的提高。本发明专利技术可用于不同金属材料基底，操作简单，周期短，成本低，可用于大规模生产。

Preparation of copper wire driven by low temperature and high humidity droplet by gradient cathodic deposition

The invention discloses a method for preparing copper wire driven by low temperature and high humidity liquid drop by a gradient cathodic deposition method, which belongs to the field of interfacial chemical technology. Processing technology of the invention using bubble template method and gradient cathode deposition method combining with spider silk imitation, the spindle knots in the high humidity environment special surface infiltration properties as the theoretical basis, innovative use of one step in infiltrating gradient conical surface of copper into a nano structure difference gradient, solves the technical problems of gradient infiltration the surface failure in low temperature and high humidity environment, the environment of droplet controlled improve copper surface of low temperature and high humidity. The invention can be used for different metal material substrates, with simple operation, short period and low cost, and can be used in large-scale production.

【技术实现步骤摘要】
梯度阴极沉积法制备低温高湿液滴驱动铜丝的方法
本专利技术属于界面化学和液滴驱动
，具体涉及一种梯度阴极沉积法制备低温高湿液滴驱动铜丝的方法。
技术介绍
由于液滴驱动在人工冷凝器、集水、微流体等领域中的广泛应用，液滴驱动受到越来越多的关注。在微观领域，表面张力成为了一个重要的实现液滴自驱动的动力，然而在低温高湿环境下，由于表面结构被液膜覆盖，浸润性梯度力会失去其功效，现存的能在低温高湿环境下进行液滴驱动的功能性表面不仅需要添加外部振动力，制备方法也特别复杂，因此如何用简单的方法在低温高湿的环境下进行液滴驱动成为了一个难题。
技术实现思路
本专利技术通过对在湿度环境中具有特殊浸润性的蜘蛛丝的研究和模仿，制备出梯度多孔微纳米结构表面，为液滴驱动表面设计提供了新的思路。本专利技术通过利用铜表面本身固有的浸润性和导电性，结合气泡模板与梯度阴极沉积处理技术，以仿蜘蛛丝在湿度环境中特殊浸润性性质为理论基础，制备出了同时具有浸润性梯度、曲率梯度的多孔铜表面，同时创新地利用一步法在浸润性梯度锥形铜表面上引入一个纳米结构差异性梯度，解决了浸润性梯度表面在低温高湿环境中失效的技术问题，实现了铜表面低温高湿环境下液滴可控驱动的提高；并且本专利技术制备方法简单，产品成本低，使用方便，可以大规模生产。本专利技术提供一种梯度阴极沉积法制备低温高湿液滴驱动铜丝的方法，包括如下步骤：第一步，电解液的制备。第二步，铜丝表面预处理。第三步，梯度阴极沉积法制备梯度多孔微纳米结构表面。以铜丝为阴极，环形铜片为阳极，逐渐降低电解液的液面高度，初始电流值为2.82A，设置液体流速为11.78×10-5L/h；直到液面降低都铜丝底部以下，停止沉积，得到具有梯度多孔微纳米结构表面的铜丝。所述铜丝在电解液中的部分，从顶部到底部，直径逐渐增加，铜丝表面具有微米级孔洞直径逐渐增多，孔洞内有纳米针结构，所述的纳米针结构从顶部到底部逐渐增多。并且在最终制备的铜丝中间到底部的位置有二价铜的化合物氧化铜出现。在2cm长的铜丝上，水滴在铜丝上的接触角逐渐从70.3°递减至0°。在空气湿度100％，温度从5℃到-5℃的条件下，液滴沿着铜丝表面的梯度方向的运动距离可以从1.5mm增加至7mm，表现出低温高湿条件下的较长传输距离。本专利技术的优点在于：1、本专利技术通过利用铜表面本身固有的浸润性和导电性，结合气泡模板与梯度阴极沉积处理技术，以仿蜘蛛丝在湿度环境中特殊浸润性性质为理论基础，制备出了同时具有浸润性梯度和曲率梯度的多孔铜表面，同时创新地利用一步法在浸润性梯度锥形铜表面上引入一个纳米结构差异性梯度，解决了浸润性梯度表面在低温高湿环境中失效的技术问题，实现了铜表面低温高湿环境下液滴可控驱动的提高。2、本专利技术制备的梯度多孔微纳米结构铜丝表面，有效的解决了低温高湿下液滴驱动距离控制的问题，利用梯度阴极沉积处理技术在铜表面引入了一个单向的浸润性梯度力，伴随着曲率梯度力及纳米结构差异性梯度产生的小液滴合并力，解决了低温高湿环境中液滴驱动距离控制的技术问题，进一步实现了铜丝表面可控液滴驱动的提高。3、本专利技术使用的气泡模板法与梯度阴极沉积处理相结合的技术，可通过简单的调控电解质溶液的浓度及加入修饰剂来控制铜表面孔结构及形貌，从而实现液滴驱动的调节。4、本专利技术使用的气泡模板法与梯度阴极沉积处理相结合的技术，可通过简单的氧化时间及电流密度的调节，实现铜表面不同浸润性梯度的调节及孔大小的调节，从而实现液滴驱动的调节。5、本专利技术制备的梯度多孔微纳米结构铜丝表面，采用简单的气泡模板与电化学处理技术相结合的方法，避免了对表面做进一步物理化学修饰的必要。6、本专利技术制备周期短，方法简单，产品成本低，使用方便，可以大规模生产。附图说明图1为本专利技术采用的梯度阴极沉积方法流程示意图。图2中a)～d)为本专利技术实施例制备的梯度阴极沉积铜丝表面的形貌图片、局部电镜照片、和扫描电镜图片。图3A为本专利技术实施例制备的铜丝表面铜含量的变化。图3B为本专利技术实施例制备的铜丝表面对液滴的接触角示意图。图4A为液滴在本专利技术制备的铜丝表面的运动距离示意图。图4B为本专利技术制备的铜丝表面的运动距离曲线表示示意图。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明。本专利技术采用梯度阴极沉积法，制备得到一种具有多孔微纳米结构铜丝表面，可以实现低温高湿条件下的液滴驱动。本专利技术提供的所述的梯度阴极沉积法制备低温高湿液滴驱动铜丝的方法，具体包括如下步骤：第一步，电解液的制备：在硫酸铜溶液中加入硫酸溶液，作为阴极沉积过程的电解液。所述的电解液中，硫酸铜溶液的浓度为0.1mol/L～2mol/L，硫酸溶液的浓度为0.5mol/L～1.5mol/L。第二步，铜丝表面预处理：将直径1mm的铜丝裁剪为长度3cm的小段，将其放入稀盐酸(0.1mol/L)中浸泡，超声15分钟；放入丙酮中浸泡，超声15分钟，以去除表面可能存在的氧化物及杂质，再用乙醇对其进行超声清洗20分钟，在空气中自然烘干。第三步，梯度阴极沉积法制备梯度多孔微纳米结构表面：如图1所示，将铜丝顶部与电源负极连接，竖直放置在电解液中，在电解液中的铜丝长度为2cm，其余部分位于液面以上；然后采用直流稳压电源对铜丝进行阴极沉积处理，其中阴极为铜丝，阳极为环形铜片，电极之间的距离为3.5cm，控制阴极沉积过程的电流为2.82A，同时打开电解槽底部的排水口控制液面下降以获得表面浸润性梯度，液体流速为5.89～35.33×10-5L/h。所述排水口的高度低于铜丝底部，直到电解液的液面下降到铜丝底部以下，结束阴极沉积过程。处理完成后，取出铜丝，然后用去离子水清洗之后自然晾干，得到梯度多孔微纳米结构表面。如图1所示，在三个不同的时间点分别对铜丝进行了微观形貌观察，刚开始沉积的时候，铜丝表面有均分分布的氢气气泡，气泡直径很小，随着沉积时间的延长，电解液的液面下降，浸没在电解液中的铜丝表面的氢气气泡体积不断增大，铜丝直径也逐渐增大，铜丝表面有孔洞，形成梯形截面的圆锥结构铜丝，直到液面下降到铜丝底部以下，铜丝表面的氢气气泡消失，并且铜丝表面孔洞直径增加，在所述孔洞内分布有铜的二价化合物。至此，最终制备得到具有梯度多孔微纳米结构表面的铜丝。通过以上梯度阴极沉积处理技术制备的具有梯度多孔微纳米结构表面的铜丝，表现出液滴驱动的性质，且拥有单向的浸润性梯度，解决了低温高湿环境中液滴驱动的技术问题，实现了铜丝表面低温高湿环境下液滴可控驱动的提高。实施例1本实施例提供梯度阴极沉积法制备具有多孔微纳米结构铜丝表面的方法，其具体步骤为：第一步，电解液的制备：称取4g硫酸铜颗粒，溶于200g去离子水当中，加入17mL浓硫酸，搅拌到完全溶解，常温，作为电解液。第二步，铜丝表面预处理：将直径1mm的铜丝裁剪为长3cm的小段，将其放入稀盐酸中浸泡超声15分钟，再分别用丙酮和乙醇对其进行超声清洗15～20分钟，在空气中自然晾干待用。第三步，阴极沉积法制备梯度多孔微纳米结构铜丝表面：将铜丝与电源负极连接，竖直放置在电解液中，在电解液中的铜丝长度为2cm，其余部分位于液面以上；阳极为环形铜片，阴极为铜丝，电极之间的距离为3.5cm，控制阴极沉积过程的电流为2.82A，同时打开电解槽底部的排水口阀门控制液面下降以获得表面浸润性梯度，液体流速为本文档来自技高网...

【技术保护点】
梯度阴极沉积法制备低温高湿液滴驱动铜丝的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：第一步，电解液的制备；第二步，铜丝表面预处理；第三步，梯度阴极沉积法制备梯度多孔微纳米结构表面具体为：将预处理后的铜丝的顶部与电源负极连接，竖直放置在电解液中，然后采用直流稳压电源对铜丝进行阴极沉积处理，其中阴极为铜丝，阳极为环形铜片，电极之间的距离为3.5cm，控制阴极沉积过程的电流为2.82A，同时打开电解槽底部的排水口控制液面下降以获得表面浸润性梯度，液体流速为5.89～35.33×10

【技术特征摘要】
1.梯度阴极沉积法制备低温高湿液滴驱动铜丝的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：第一步，电解液的制备；第二步，铜丝表面预处理；第三步，梯度阴极沉积法制备梯度多孔微纳米结构表面具体为：将预处理后的铜丝的顶部与电源负极连接，竖直放置在电解液中，然后采用直流稳压电源对铜丝进行阴极沉积处理，其中阴极为铜丝，阳极为环形铜片，电极之间的距离为3.5cm，控制阴极沉积过程的电流为2.82A，同时打开电解槽底部的排水口控制液面下降以获得表面浸润性梯度，液体流速为5.89～35.33×10-5L/h；所述排水口的高度低于铜丝底部，直到电解液的液面下降到铜丝底部以下，结束阴极沉积过程；处理完成后，取出铜丝，然后用去离子水清洗之后自然晾干，得到具有梯度多孔微纳米结构表面的铜丝。2.根据权利要求1所述的梯度阴极沉积法制备低温高湿液滴驱动铜丝的方法，其特征在于：所述的电解液由硫酸铜溶液和硫酸溶液混合，电解液中硫酸铜的浓度为0.1mol/L～2mol/L，硫酸的浓度为0.5mol/L～1.5mol/L。3.根据权利要求1所述的梯度阴极沉积法制备低温高湿液滴驱动铜丝的方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯永平，邢厌，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11