一种改性镍基材表面及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种改性镍基材表面及其制备方法与应用，方法包括如下步骤：(1)将待处理的镍基材表面进行抛光预处理，清洗、干燥后得到洁净的表面抛光后的镍板样品；(2)采用脉冲激光器对镍板样品表面进行激光扫描处理，在样品表面加工出多个微纳结构，放入电热真空干燥箱内烘烤，即得到镍板超疏水表面；(3)在所得的镍板超疏水冷凝表面经激光加工处理出楔形或三角形并列连接的超亲水表面，即得到超疏水‑超亲水楔形或三角形相间的表面。该制备方法无化学修饰，工艺简单，操作方便，成本低，制得的镍基材表面为超疏水‑超亲水楔形或三角形相间的表面，非常利于滴状冷凝过程的实现和持续进行，具备优异的冷凝性能，提高了冷凝管的冷凝效率。

A Modified Nickel Substrate Surface and Its Preparation Method and Application

The invention provides a modified nickel substrate surface and its preparation method and application. The method comprises the following steps: (1) polishing pretreatment of the nickel substrate surface to be treated, cleaning and drying to obtain a clean surface polished nickel plate sample; (2) laser scanning treatment of the nickel plate sample surface by pulsed laser, processing multiple Micro-Nanostructures on the sample surface, and inserting them into the sample surface. The superhydrophobic surface of nickel plate can be obtained by baking in an electrothermal vacuum drying oven; (3) The superhydrophobic surface of the obtained nickel plate can be processed by laser to form a wedge-shaped or triangular side-by-side superhydrophilic surface, i.e. a wedge-shaped or triangular surface with superhydrophobic and superhydrophilic. The preparation method has no chemical modification, simple process, convenient operation and low cost. The surface of the prepared nickel substrate is superhydrophobic, superhydrophilic wedge or triangular, which is very conducive to the realization and continuity of the dropwise condensation process. It has excellent condensation performance and improves the condensation efficiency of the condensation tube.

【技术实现步骤摘要】
一种改性镍基材表面及其制备方法与应用
本专利技术涉及表面制备
，尤其涉及一种改性镍基材表面及其制备方法。
技术介绍
冷凝管是一种用作促成冷凝作用的设备，通常由双层玻璃管组成，它是利用热交换原理使蒸汽冷却凝结为液体的一种玻璃仪器。因为玻璃管直径有限，高温的气体或液体流经内管接触面积有限，以致热交换不充分，最终冷凝效率不高，若使传热设备的尺寸增大，则会大幅增加冷凝成本。传统冷凝管如：玻璃、铜及不锈钢材料的表面表现出亲水性(本征接触角小于90°)，不利于表面凝结液滴的脱落。目前，对于金属材料表面的改性已越来越普遍。用激光技术加工镍板冷凝表面，使镍板冷凝表面在冷凝过程中依然保持超疏水特性而提高冷凝效率，非常具有应用前景。在电厂冷却塔的热交换器中，传统的冷却塔是利用水与空气流动接触后进行冷热交换产生蒸汽，蒸汽挥发带走热量达到蒸发散热、对流传热和辐射传热等原理来散去工业上或制冷空调中产生的余热来降低水温的蒸发散热装置，以保证系统的正常运行，装置一般为桶状，故名为冷却塔。传统的冷却塔的水与空气流动接触后进行冷热交换需要较大的传热设备，加大设备的尺寸及总量。公告号为CN2539129的专利公开了一种镍磷合金表面改性管换热器。它是在原有汽、水管式换热器基础上，在换热管的中间表面上镀上了一层镍磷合金镀层，水蒸汽在镍磷合金的换热管表面上呈珠状冷凝，大大提高换热效率和换热器寿命。然而该方法制成的改性管换热器冷凝效率并不高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供了一种改性镍基材表面及其制备方法与应用，该制备方法无化学修饰，工艺简单，操作方便，效率高，能耗少，成本低，制得的镍基材表面为超疏水-超亲水楔形或三角形相间的表面，非常利于滴状冷凝过程的实现和持续进行，具备优异的冷凝性能，大大增加了镍板换热率，提高了冷凝管的冷凝效率。本专利技术是这样实现的：本专利技术的目的之一在于提供了一种改性镍基材表面的制备方法，具体包括如下步骤：步骤1、将待处理的镍基材表面进行抛光预处理，清洗、干燥后得到洁净的表面抛光后的镍板样品；步骤2、采用脉冲激光器对步骤1所得的镍板样品表面进行激光扫描处理，在样品表面加工出多个微纳结构，再放入电热真空干燥箱内烘烤，即得到镍板超疏水表面；步骤3、在步骤2所得的镍板超疏水冷凝表面经激光加工处理出的镍板超亲水表面，所述镍板超亲水表面与镍板超疏水表面交替连接形成多个子阵列，所述子阵列中镍板超亲水表面与镍板超疏水表面均为楔形或三角形，相邻两个所述子阵列之间设有超亲水汇集区，即得到超疏水-超亲水楔形或三角形相间的表面。具体地，所述子阵列若是横向排列，相邻两个所述子阵列之间设有镍板超亲水汇集区则为竖向设置的，超亲水汇集区为镍板超亲水表面，且镍板超亲水汇集区的形状可以是任意的，可以是长方形、三角形、楔形等等。其中子阵列中的楔形或三角形的镍板超亲水表面沿着水流的方向其面积是逐渐增大的，这样方便水流汇集在超亲水汇集区。具体地，所述子阵列若是纵向排列，相邻两个所述子阵列之间设有镍板超亲水汇集区则为横向设置的，超亲水汇集区为镍板超亲水表面，且镍板超亲水汇集区的形状可以是任意的，可以是长方形、三角形、楔形等等。其中子阵列中的楔形或三角形的镍板超亲水表面沿着水流的方向其面积是逐渐增大的，这样方便水流汇集在超亲水汇集区。优选地，所述超疏水表面有微纳米二元表面结构，且滚动角小于10°，所述超疏水表面与位于其上的液体之间形成的接触角大于150°；所述超亲水表面与位于其上的液体之间形成的接触角为0°。所述超疏水表面与位于其上的液体之间形成的接触角最大可达158.0°，最小滚动角为3°，因此具有非常好的超疏水性能(液-固界面接触角大于150°即为超疏水)，且在冷凝过程中依然保持超疏水-超亲水特性。优选地，所述步骤1中所述的抛光预处理采用功率为370W、研磨盘转速为450转/分、研磨盘直径为230mm的金相试样预磨机，且抛光预处理过程用直径为200mm、1000目的SiC水砂纸在所述镍基材表面进行抛光处理，抛光范围是100cm2，抛光时间10-20分钟。优选地，所述步骤1中清洗、干燥的具体步骤为：将抛光后的镍板样品放在盛有去离子水的超声波清洗仪中清洗，清洗干净后，将所述镍板样品表面用冷风吹干或室温自然晾干，得到洁净的表面抛光后的镍板样品。更为优选地，所述超声清洗仪的超声频率为40kHz，所述去离子水电阻率为18.25兆欧，所述去离子水将镍板样品表面淹没，在室温下连续清洗20-60分钟。优选地，所述步骤2与步骤3中所用的激光为超短脉冲激光器，其波长小于1550nm，其重复频率为70kHz-1000kHz；所述步骤2与步骤3中所用的激光加工参数为：脉宽为10ns-500ns，单脉冲能量小于1.1mJ。更为优选地，所述步骤2与步骤3中所用的激光为超短脉冲激光器，其波长为1064nm，其重复频率为40kHz-200kHz；所述步骤2与步骤3中所用的激光加工参数为：脉宽为30ns-60ns，所述单脉冲能量为0.4mJ-0.8mJ。所述激光扫描采用多棱镜装置进行光束扫描，多棱镜扫描的速度为1m/s-800m/，激光的通断及多棱镜装置的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定；或所述激光扫描使用运动平台装置实现，将光束固定，样品相对光束运动，平台运动的速度为0.1mm/s-3m/s，激光的通断、平台运动轨迹和速度均由计算机程序控制和设定；优选地，所述激光扫描速度为500mm/s-2000mm/s。更为优选地，所述扫描速度为800mm/s-1200mm/s。优选地，所述步骤2中，制备完毕后用锡箔纸包裹，并放入封口样品袋中，再放入电热真空干燥箱内烘烤，所述电热真空干燥箱内压力为普通大气压，湿度为40％-60％RH，温度为100℃-250℃，所述样品烘烤的时间为12-24小时，所述电热真空干燥箱内的温度误差为±1℃。更为优选地，所述恒温恒湿电热干燥箱内的湿度为45％RH，温度为120℃，烘烤的时间为20小时。本专利技术的目的之二在于提供了一种所述方法制备得到的改性镍基材表面。本专利技术的目的之三在于提供了所述的改性镍基材表面在提高冷凝传热效率中的应用。本专利技术具有的有益效果是：1、本专利技术提供的一种改性镍基材表面的制备方法，无化学修饰，工艺简单，操作方便，效率高，能耗少，成本低，且本专利技术方法的工艺参数容易控制，易于实现工业应用。2、本专利技术提供的一种改性镍基材表面，为超疏水-超亲水楔形或三角形相间的表面，非常利于滴状冷凝过程的实现和持续进行；所述超疏水表面与位于其上的液体之间形成的接触角最大可达158.0°，最小滚动角为3.1°，因此具有非常好的超疏水性能(液-固界面接触角大于150°即为超疏水)，且在冷凝过程中依然保持超疏水-超亲水特性。3、本专利技术提供的一种改性镍基材表面在提高冷凝传热效率中的应用，采用本专利技术方法制备得到的超疏水-超亲水镍板金属表面用于冷凝管或其他冷凝金属上，具备优异的冷凝性能，大大增加了镍板换热率，提高了冷凝管的冷凝效率。附图说明图1为本专利技术实验例1提供的改性镍基材表面的超疏水表面部分冷凝表面的接触角示意图；图2为本专利技术实施例1提供的改性镍基材表面的扫描电镜图；图3为本专利技术实施例提供的改性镍基材表面的结构示意图；其中A为镍板超亲本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种改性镍基材表面的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤1、将待处理的镍基材表面进行抛光预处理，清洗、干燥后得到洁净的表面抛光后的镍板样品；步骤2、采用脉冲激光器对步骤1所得的镍板样品表面进行激光扫描处理，在样品表面加工出多个微纳结构，再放入电热真空干燥箱内烘烤，即得到镍板超疏水表面；步骤3、在步骤2所得的镍板超疏水冷凝表面经激光加工处理出的镍板超亲水表面，所述镍板超亲水表面与镍板超疏水表面交替连接形成多个子阵列，所述子阵列中镍板超亲水表面与镍板超疏水表面均为楔形或三角形，相邻两个所述子阵列之间设有超亲水汇集区，即得到超疏水‑超亲水楔形或三角形相间的表面。

【技术特征摘要】
1.一种改性镍基材表面的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤1、将待处理的镍基材表面进行抛光预处理，清洗、干燥后得到洁净的表面抛光后的镍板样品；步骤2、采用脉冲激光器对步骤1所得的镍板样品表面进行激光扫描处理，在样品表面加工出多个微纳结构，再放入电热真空干燥箱内烘烤，即得到镍板超疏水表面；步骤3、在步骤2所得的镍板超疏水冷凝表面经激光加工处理出的镍板超亲水表面，所述镍板超亲水表面与镍板超疏水表面交替连接形成多个子阵列，所述子阵列中镍板超亲水表面与镍板超疏水表面均为楔形或三角形，相邻两个所述子阵列之间设有超亲水汇集区，即得到超疏水-超亲水楔形或三角形相间的表面。2.如权利要求1所述的改性镍基材表面的制备方法，其特征在于，所述超疏水表面有微纳米二元表面结构，且滚动角小于10°，所述超疏水表面与位于其上的液体之间形成的接触角大于150°；所述超亲水表面与位于其上的液体之间形成的接触角为0°。3.如权利要求1所述的改性镍基材表面的制备方法，其特征在于，所述步骤1中所述的抛光预处理采用功率为370W、研磨盘转速为450转/分、研磨盘直径为230mm的金相试样预磨机，且抛光预处理过程用直径为200mm、1000目的SiC水砂纸在所述镍基材表面进行抛光处理，抛光范围是100cm2，抛光时间10-20分钟。4.如权利要求1所述的改性镍基材表面的制备方法，其特征在于，所述步骤1中清洗、干燥的具体步骤为：将抛光后的镍板样品放在盛有去离子水的超声波清洗仪中清洗...

【专利技术属性】
技术研发人员：娄德元，杨少坤，刘庆，梅胜，翟中生，杨奇彪，刘顿，成健，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42