一种电火花线切割制备超疏水金属表面的方法技术

一种电火花线切割制备超疏水金属表面的方法，涉及金属材料表面加工。通过低频振动装置既可以一次性加工出宏观形状不规则的超疏水金属曲面，也可先切出一个曲面后再进行振动加工。在金属平面上制备超疏水结构，加工过程中则可对金属表面的微米级尺度形貌进行设计，通过多次加工可以制造出具有类似方形梯台、菱形梯台、菱锥等表面形貌的微纳双层结构。直接利用低频振动辅助的电火花线切割加工制备超疏水金属表面，制备过程简单，加工效率高、且表面结构可控，是一种低成本、简单高效的制备方法。

【技术实现步骤摘要】
一种电火花线切割制备超疏水金属表面的方法
本专利技术涉及金属材料表面加工，尤其是涉及到一种电火花线切割制备超疏水金属表面的方法。
技术介绍
近年来，超疏水材料因其具有减阻、抗菌、耐腐蚀、防结冰、自清洁等方面的优异性能而引起了广大科研人员的关注。超疏水表面一般是指与水的接触角大于150°，滚动角小于10°的表面。超疏水表面的性能表现为水滴不能在其表面稳定的停留，因为很容易从表面上滚落，并且滚落时能将其表面上的微小颗粒带走，所以它具有与荷叶表面相似的自清洁的功能。因此超疏水表面在设备制造、航空航天、医疗器械等领域都具有广泛的应用前景。材料的疏水性能主要取决于基体材料的表面能和材料表面微结构这两方面因素的共同作用，而金属材料的表面能普遍较高，通常表现为亲水特性，所以制备超疏水表面一般需要在材料表面构造出微纳双层结构并设法降低其表面能。目前，超疏水材料的制备方法种类繁多，主要分为物理法与化学法。物理法主要包括静电纺丝、模板法、激光刻蚀、电火花加工、离子注入等；化学法则包括电化学沉积、湿化学反应、水热合成、自组装、交替沉积、溶液浸没法、化学气相沉积、溶胶-凝胶等。化学法主要依靠化学反应在材料表面生成一层微纳复合结构层，从而实现材料表面的疏水性能，但是由于化学反应制备过程不易控制，且易受各种试验条件的影响，因此材料表面疏水层的微纳多级结构的差距往往很大，又因为其是以薄膜的形式存在于材料表面，所以它的疏水稳定性易受应用环境的影响而变差甚至丧失。另外，由于化学制备过程中所产生的废液需要做特殊处理，这不仅增加了制备成本，还容易造成环境污染。而物理法中，模板法加工效率低且难以制备形状复杂的表面，激光刻蚀则存在加工成本高、无法大规模制备等缺点。弯艳玲([1]弯艳玲，廉中旭，刘志刚，于化东.高速电火花线切割制备耐用型超疏水铜表面[J].材料科学与工程学报，2014,32(5):634-642)采用线切割方法制造出超疏水表面，但没有真正意义上构造出微纳双尺度表面结构，且其方法中缺乏对电加工工艺参数的优化，制备具有随机性。中国专利CN201710198619同样利用线切割制备超疏水铜表面，但是它加工出来的微凸台之间的间距不能小于电极丝的直径，因此使得它无法制备微观尺度更小的微纳双层结构。因此，有必要研究一种生产成本低、制备过程简单、加工过程环保且表面结构可控的方法来实现材料表面的疏水性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种电火花线切割制备超疏水金属表面的方法。本专利技术包括以下步骤：1)将低频振动装置安装在电火花线切割平台上，所述低频振动装置设有环形旋转工作台、旋转基座、振动模块、绝缘振动杆、电极丝套环、开关电源和伺服控制器；2)将需加工的工件装夹于永磁吸盘上，在环形旋转工作台上调整绝缘振动杆与加工工件表面的相对位置，使得绝缘振动杆的振动方向与加工工件表面的进给方向始终保持垂直以便加工出宏观形状不规则的超疏水曲面；3)在旋转基座上承载振动模块是为了方便振动模块调整绝缘振动杆振动方向与加工工件表面进给方向间的角度；4)开关电源为振动模块、环形旋转工作台和伺服控制器供能，振动模块在环形旋转工作台上运动，振动模块用于提供低频振动，采用伺服控制器对振动模块和环形旋转工作台进行程序控制，确保电极丝的振动方向与加工工件表面的进给方向始终保持垂直，使基于低频振动辅助的电火花线切割既可一次性加工出宏观形状不规则的超疏水金属曲面，也可先正常切出一个曲面后再进行振动加工；5)绝缘振动杆的作用是为了保持振动模块与电极丝的绝缘并将振动模块的振动传动到电极丝上；6)电极丝套环带动电极丝与振动模块一起做往复运动，便于加工出微米级的波纹结构；7)在金属平面上制备超疏水结构，加工过程中可对金属表面的微米级尺度形貌进行设计，通过对加工工件重新装夹来调整加工工件表面与电极丝的相对位置，即将加工工件旋转不同角度重新装夹进行加工，可得到具有不同表面形貌的超疏水微纳双层结构金属表面。所述超疏水微纳双层结构的表面形貌可为方形梯台、菱形梯台、菱锥等。所述电极丝套环的直径比电极丝直径大0.1～0.2mm，这既是为了防止电极丝与电极丝套环之间由于摩擦阻滞而断丝，同时也保证电极丝与电极丝套环的间隙不至于过大，便于控制振动振幅。本专利技术加工所得到的超疏水微纳双层结构的微米级波纹结构宽度为30～180μm，深度为10～120μm，纳米级颗粒与气孔尺寸为10～500nm，静态接触角为150～160°。为制备出合适的微纳双层结构金属表面，基于低频振动辅助的电火花线切割的振动频率为0.1～20Hz、振动幅度为0～2mm、加工电流为3～7A、脉冲宽度为16～64μs、脉间宽度为5～9μs、加工介质为空气/乳化液/氧气、间隙电压为80～120V，其中电极丝直径为180μm。由于低频振动辅助的电火花线切割方法是直接在金属表面加工出微纳双层结构，所以该微纳双层结构与基体的结合强度高，耐用性能好，且结构本身的性能稳定。与现有技术相比，利用低频振动辅助的电火花线切割制备超疏水金属表面简单便捷，加工效率高且制造成本低，而且电火花加工液可回收使用，有利于减少加工废液对环境的污染，其次能够可控的加工出所需的微纳双层结构。附图说明图1是本专利技术基于振动辅助制备超疏水金属表面的原理图。图2是图1的俯视示意图。图3是本专利技术一次性加工出宏观形状不规则超疏水金属曲面的原理图。图4是基于本专利技术所加工出的超疏水金属表面的扫描电子显微镜(SEM)图。图5是本专利技术加工出不同微米尺度表面形貌的三维模拟图之一。图6是本专利技术加工出不同微米尺度表面形貌的三维模拟图之二。图7是本专利技术加工出不同微米尺度表面形貌的三维模拟图之三。图8是本专利技术所得超疏水金属表面的水滴静态接触角(CA)图。具体实施方式以下实施例将结合附图对本专利技术作进一步的说明。参图1～3，本专利技术实施例包括以下步骤：1)将低频振动装置安装在电火花线切割平台10上，所述低频振动装置设有环形旋转工作台1、旋转基座2、振动模块3、绝缘振动杆4、电极丝套环5、开关电源和伺服控制器(在图中未画出)；2)将需加工的工件A装夹于永磁吸盘6上，在环形旋转工作台1上调整绝缘振动杆4与工件A表面的相对位置，使得绝缘振动杆4的振动方向F与工件A表面的进给方向始终保持垂直以便加工出宏观形状不规则的超疏水曲面；3)在旋转基座2上承载振动模块3是为了方便振动模块3调整绝缘振动杆4振动方向与工件A表面进给方向间的角度；4)开关电源为振动模块3、环形旋转工作台1和伺服控制器供能，振动模块3在环形旋转工作台1上运动，振动模块3提供低频振动，采用伺服控制器对振动模块3和环形旋转工作台1进行程序控制，确保电极丝8的振动方向与工件A表面的进给方向始终保持垂直，使基于低频振动辅助的电火花线切割既可一次性加工出宏观形状不规则的超疏水金属曲面，也可先切出一个曲面后再进行振动加工；5)绝缘振动杆4保持振动模块3与电极丝8的绝缘并将振动模块3的振动传动到电极丝8上；6)电极丝套环5带动电极丝8与振动模块3一起做往复运动，便于加工出微米级的波纹结构；7)在金属平面上制备超疏水结构，加工过程中可对金属表面的微米级尺度形貌进行设计，通过对工件A重新装夹来调整工件A表面与电极丝8的相对位置，即将工件A旋转不同角度重新装夹进行加工，可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电火花线切割制备超疏水金属表面的方法，其特征在于包括以下步骤：1)将低频振动装置安装在电火花线切割平台上，所述低频振动装置设有环形旋转工作台、旋转基座、振动模块、绝缘振动杆、电极丝套环、开关电源和伺服控制器；2)将需加工的工件装夹于永磁吸盘上，在环形旋转工作台上调整绝缘振动杆与加工工件表面的相对位置，使得绝缘振动杆的振动方向与加工工件表面的进给方向始终保持垂直，加工超疏水曲面；3)在旋转基座上承载振动模块，调整绝缘振动杆振动方向与加工工件表面进给方向间的角度；4)开关电源为振动模块、环形旋转工作台和伺服控制器供能，振动模块在环形旋转工作台上运动，振动模块用于提供低频振动，采用伺服控制器对振动模块和环形旋转工作台进行程序控制，确保电极丝的振动方向与加工工件表面的进给方向始终保持垂直，使基于低频振动辅助的电火花线切割一次性加工超疏水金属曲面，或切出一个曲面后再进行振动加工；5)由绝缘振动杆保持振动模块与电极丝的绝缘并将振动模块的振动传动到电极丝上；6)电极丝套环带动电极丝与振动模块一起做往复运动，加工微米级的波纹结构；7)在金属平面上制备超疏水结构，加工过程中对金属表面的微米级尺度形貌进行设计，通过对加工工件重新装夹调整加工工件表面与电极丝的相对位置，即将加工工件旋转不同角度重新装夹进行加工，得到具有不同表面形貌的超疏水微纳双层结构金属表面。...

【技术特征摘要】
1.一种电火花线切割制备超疏水金属表面的方法，其特征在于包括以下步骤：1)将低频振动装置安装在电火花线切割平台上，所述低频振动装置设有环形旋转工作台、旋转基座、振动模块、绝缘振动杆、电极丝套环、开关电源和伺服控制器；2)将需加工的工件装夹于永磁吸盘上，在环形旋转工作台上调整绝缘振动杆与加工工件表面的相对位置，使得绝缘振动杆的振动方向与加工工件表面的进给方向始终保持垂直，加工超疏水曲面；3)在旋转基座上承载振动模块，调整绝缘振动杆振动方向与加工工件表面进给方向间的角度；4)开关电源为振动模块、环形旋转工作台和伺服控制器供能，振动模块在环形旋转工作台上运动，振动模块用于提供低频振动，采用伺服控制器对振动模块和环形旋转工作台进行程序控制，确保电极丝的振动方向与加工工件表面的进给方向始终保持垂直，使基于低频振动辅助的电火花线切割一次性加工超疏水金属曲面，或切出一个曲面后再进行振动加工；5)由绝缘振动杆保持振动模块与电极丝的绝缘并将振动模块的振动传动到电极丝上；6)电极丝套环带动电极丝与振动模块一起做往复运动，加工微米级的波纹结构；7)在金属平面上制备超疏水...

【专利技术属性】
技术研发人员：褚旭阳，曾湘衡，全学军，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35