一种基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层及其大面积制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层及其大面积制备方法，属于涂层的制备和应用技术领域，该超疏水涂层表面分布有少量的高硬度凸点结构和大面积的具有微纳尺度的粗糙结构，其中，高硬度凸点结构在工件表面的覆盖率为8％～35％，具有微纳尺度的粗糙结构在工件表面的覆盖率为70％～92％。本发明专利技术高硬度凸点结构和具有微纳尺度的粗糙结构层的原材料选择灵活，因此可以根据实际服役环境的需要选择合适的材料；采用冷喷涂与热喷涂的方法制备超疏水涂层，涂层与基体的结合力更强，不用担心涂层剥落的情况发生；采用喷涂法(冷喷涂和热喷涂均可)制备超疏水涂层，几乎适用于所有材质的基材，对基材表面质量要求低。量要求低。量要求低。

【技术实现步骤摘要】
一种基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层及其大面积制备方法


[0001]本专利技术属于涂层的制备和应用
，具体涉及一种基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层及其大面积制备方法。

技术介绍

[0002]人工超疏水涂层在防腐、防覆冰、自清洁、减阻、油水分离等诸多领域具有广阔应用前景。受荷叶效应的启发，人们通过对植物叶子表面超疏水性的系统研究，发现表面既有微纳尺度的粗糙结构，又被低表面能物质覆盖是具备超疏水性能的必要充分条件。目前的研究表明，这种超疏水表面不仅具有自清洁功能，还具有防腐及防止生物附着、防覆冰、防雾及防霜冻等特殊功能，因此在海洋舰船及海洋平台表面防护、电力输送户外设备及线路，建筑等领域具有广阔的应用前景。
[0003]然而，超疏水涂层的实际应用主要受制于两个因素。第一，超疏水涂层的抗机械损伤能力尤其是耐磨性能较差，人工超疏水表面所需的微纳尺度粗糙结构在受到服役环境中的外来物体接触、碰撞、弯曲、特别是摩擦作用时，自身结构的损坏会导致超疏水特性的下降甚至消失。第二，现有的超疏水涂层制备的工艺方法中，气相沉积、电镀、化学镀、自组装等为代表的自下而上的制备工艺需要昂贵而复杂的精密设备，成本较高，制备周期较长，部分工艺中溶液(金属离子)的使用增加了环境污染的风险。并且绝大多数的工艺方法均要在溶液、真空条件下实现微纳尺度粗糙结构的制备，难以大面积制备，不具备应用前景，使得人工超疏水表面目前还难以走出实验室，实现大规模的成功应用。因此，基于开发出既能提高超疏水表面微纳尺度粗糙结构的抗机械损伤性能，又能大面积绿色制备的超疏水涂层工艺需求，雒晓涛等人提出一种采用冷喷涂技术在材料表面制备具有柔性结构的金属微纳尺寸结构的工艺，利用外部物体碰触或摩擦表面时，柔性结构的可变形性可保证微纳尺寸粗糙结构的完整性，该方法制得的涂层与常规人工超疏水涂层相比，具有柔性结构超疏水涂层的耐磨性能显著提升，但是该方法制备得到的涂层在摩擦磨损等测试中依然难以满足工业应用需求。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于表面高硬度(硬度≥650HV)凸点强化的高耐磨超疏水涂层及其大面积制备方法，能够有效解决现有技术的超疏水涂层耐磨性能差的技术问题。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0006]本专利技术公开了一种基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层，该超疏水涂层表面分布有少量的高硬度凸点结构和大面积的具有微纳尺度的粗糙结构，其中，高硬度凸点结构在工件表面的覆盖率为8％～35％，具有微纳尺度的粗糙结构在工件表面的覆盖率为70％～92％，二者覆盖率之和为100％。
[0007]本专利技术还公开了上述的基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层的大面积制备方法，包括以下步骤：
[0008]1)采用喷涂法在待制备涂层的金属工件表面制备弥散分布的高硬度凸点结构；
[0009]2)在经步骤1)处理后的工件表面采用喷涂法制备具有微纳尺度的粗糙结构；
[0010]3)对步骤2)得到的涂层表面进行低表面能物质修饰，即在工件表面制备得到基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层。
[0011]优选地，高硬度凸点结构的高度在30～800μm之间，具有微纳尺度的粗糙结构的厚度在5～50μm之间，高硬度凸点结构的高度为具有微纳尺度的粗糙结构厚度的1.5倍以上。
[0012]优选地，高硬度凸点结构的水平尺寸介于50～300μm之间，高硬度凸点结构之间的间距为直径的2～10倍之间。
[0013]优选地，制备高硬度凸点结构采用的原料为氧化铝陶瓷粉末、氧化铝钛陶瓷粉末、碳化硅陶瓷粉末、WC
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Co系陶瓷粉末或NiCr
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CrC系陶瓷粉末，选用原料的维氏硬度值≥650HV，粉末的粒径介于50
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300μm之间。
[0014]优选地，制备具有微纳尺度的粗糙结构采用的原料为氧化铝陶瓷粉末、氧化铝钛陶瓷粉末、碳化硅陶瓷粉末、WC
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Co系陶瓷粉末、NiCr
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CrC系陶瓷粉末，且上述陶瓷粉末均经过团聚及烧结处理；团聚是指将纳米或亚微米级原始粉末微粒通过胶黏剂进行黏结，形成数微米到数十微米尺度的大尺寸颗粒。进一步通过烧结可去除胶黏剂，同时通过扩散烧结作用使原始纳米或亚微米级微粒实现化学结合，但整个大尺寸颗粒的外表仍然能看出原始纳米或亚微米尺寸轮廓。即得到宏观为数十到百微米量级的颗粒，颗粒表面有纳米尺寸粗糙结构。
[0015]或者，选择以纳米或亚微米团聚烧结的金属钼粉末、金属钨粉末、金属钽粉末或者电解方法制备的金属镍粉末；
[0016]其中，所选原料的粉末粒径介于5～50μm之间。
[0017]优选地，步骤1)中，制备高硬度凸点结构的喷涂方法有火焰喷涂、等离子喷涂；所喷涂的陶瓷粉末或金属陶瓷粉末处于表层熔化、内部不熔化的状态，使得陶瓷粉末或金属陶瓷粉末在工件表面撞击、凝固后形成高度满足要求的高硬度凸点结构，高硬度凸点结构在工件表面的覆盖率通过粉末输送速率和喷枪扫描速度调控；
[0018]所述陶瓷粉末或金属陶瓷粉末为多角形形貌，使得喷涂过程中粉末在固态高速碰撞时嵌入工件的金属基材表面，形成高度满足要求的高硬度凸点结构。
[0019]优选地，步骤2)中，制备具有微纳尺度的粗糙结构的喷涂方法有火焰喷涂、超音速火焰喷涂，所喷涂的团聚后陶瓷粉末或金属陶瓷粉末处于表层微熔化状态，使得团聚粉末内部的原始微纳尺寸结构得以保留，在工件表层形成具有微纳尺度的粗糙结构。
[0020]优选地，步骤3)所述的低表面能物质修饰是采用聚氨酯、氟硅烷或硬脂酸对涂层表面进行修饰。
[0021]优选地，在步骤1)喷涂之前，还包括对待制备涂层的金属工件表面进行清洗与除油处理的操作。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0023]本专利技术公开的基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层，主要由两部分构成，一部分是离散分布(少量)的高硬度凸点结构，另一部分是大面积涂覆地具有微纳尺度
地粗糙结构层。具有微纳尺度的粗糙结构使得金属工件的表面具有疏水性能，当外部物体摩擦涂层表面时(如受到服役环境中的外来物体接触、碰撞、弯曲及摩擦)，高硬度凸点结构则能起到保护微纳尺度的粗糙结构不被破坏的作用，使得涂层疏水性能不因磨损而退化，因此表面超疏水性得以保留，从而有效解决了现有技术的超疏水涂层耐磨性能差的技术问题。
[0024]本专利技术还公开了上述基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层的制备方法，优点体现在：1)高硬度凸点结构和具有微纳尺度的粗糙结构层的原材料选择灵活，因此可以根据实际服役环境的需要选择合适的材料；2)采用冷喷涂与热喷涂的方法制备超疏水涂层，涂层与基体的结合力更强，不用担心涂层剥落的情况发生；3)采用喷涂法(冷喷涂和热喷涂均可)制备超疏水涂层，几乎适用于所有材质的基材，对基材表面质量要求低。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层，其特征在于，该超疏水涂层表面分布有少量的高硬度凸点结构和大面积的具有微纳尺度的粗糙结构，其中，高硬度凸点结构在工件表面的覆盖率为8％～35％，具有微纳尺度的粗糙结构在工件表面的覆盖率为70％～92％，二者覆盖率之和为100％。2.权利要求1所述的基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层的大面积制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)采用喷涂法在待制备涂层的金属工件表面制备弥散分布的高硬度凸点结构；2)在经步骤1)处理后的工件表面采用喷涂法制备具有微纳尺度的粗糙结构；3)对步骤2)得到的涂层表面进行低表面能物质修饰，即在工件表面制备得到基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层。3.根据权利要求2所述的基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层的大面积制备方法，其特征在于，高硬度凸点结构的高度在30～800μm之间，具有微纳尺度的粗糙结构的厚度在5～50μm之间，高硬度凸点结构的高度为具有微纳尺度的粗糙结构厚度的1.5倍以上。4.根据权利要求2所述的基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层的大面积制备方法，其特征在于，高硬度凸点结构的水平尺寸介于50～300μm之间，高硬度凸点结构之间的间距为直径的2～10倍之间。5.根据权利要求2所述的基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层的大面积制备方法，其特征在于，制备高硬度凸点结构采用的原料为氧化铝陶瓷粉末、氧化铝钛陶瓷粉末、碳化硅陶瓷粉末、WC
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Co系陶瓷粉末或NiCr
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CrC系陶瓷粉末，选用原料的维氏硬度值≥650HV，粉末的粒径介于50
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300μm之间。6.根据权利要求2所述的基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层的大面积制备方法，其特征在于，制备具...

【专利技术属性】
技术研发人员：申继豪，雒晓涛，曹佳辉，袁逍驰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：