基于非晶合金压印的微纳耦合表面减阻结构及其制备方法技术

本发明专利技术提供了基于非晶合金压印的微纳耦合表面减阻结构及其制备方法，属于金属塑性成形领域，该方法包括对模板基片进行预处理；在预处理后的模板基片上加工出微米级的沟槽阵列；将具有沟槽阵列的模板基片在酸性电解液中进行阳极氧化，以在沟槽阵列上制备出纳米级孔洞阵列，进而制得多孔模板；将非晶合金板坯与多孔模板贴合并施加压力以进行压印，从而获得组合体；将组合体中的多孔模板去除，进而制得所述微纳耦合表面减阻结构。本发明专利技术提供的方法有效利用了非晶合金材料在微细结构成形方面的优势，与现有技术中需要去除材料的方法相比，具有材料利用率高、形状尺寸精度高等优势。形状尺寸精度高等优势。形状尺寸精度高等优势。

【技术实现步骤摘要】
基于非晶合金压印的微纳耦合表面减阻结构及其制备方法


[0001]本专利技术属于金属塑性成形领域，更具体地，涉及基于非晶合金压印的微纳耦合表面减阻结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]非晶合金具备高强度、高硬度、强耐腐蚀能力和高表面质量等优异性能，能适应各种极端恶劣环境，有望成为制造水上舰船和水下航行器关键零部件的重要材料。同时，非晶合金在过冷液相区具备很好的超塑性且体积变化很小，能够非常精确地复制模具的形状。因此，非晶合金在成形零件微细结构方面具备明显优势。
[0003]对于水上舰船和水下航行器而言，更高的速度意味着更强的杀伤能力和防御能力。提速降耗是发展水上舰船和水下航行器所面临的一个关键问题。水面舰船和水下航行器运行时所受阻力包括压差阻力、兴波阻力和摩擦阻力等，其中摩擦阻力约占总阻力的50％～80％。因此，降低摩擦阻力对于舰船和水下航行器的提速降耗具有重要意义。仿生研究发现，鲨鱼快速游动时其皮肤会转变成微小的沟槽形态。受此启发，美国国家航空航天局对表面微沟槽结构进行了湍流试验，发现微沟槽能够通过改变边界层流动状态而获得减阻效果。微沟槽的减阻率与微沟槽的尺寸、相对运动速度以及运动粘性系数有关。对于大部分水面舰船和水下航行器而言，微米尺度的微沟槽能够获得较好的减阻效果。此外仿生研究还发现，水滴很难在荷叶表面停留，且水滴在荷叶表面快速滚落的过程中会带走荷叶表面的尘土。荷叶的这种超疏水性能不仅与荷叶表面分泌的生物蜡质以及密集的微凸起结构有关，与微凸起表面纳米级别的乳突也有密切联系。超疏水性能的存在意味着更大的固
‑
液接触角，从而有利于减小物理在水中运动时所受到的摩擦阻力。由此可见，微米尺度的沟槽结构和纳米尺度的阵列结构在水下减阻方面均具有广阔的应用前景。
[0004]目前，微纳结构一般采用单一结构应用于水下减阻，减阻效果相对较差。例如，CN106085070A公开了一种具有沟槽结构的低表面能微纳涂层材料及其制备方法，CN113070576A公开了一种采用纳秒激光辐照非晶合金表面制备微纳米周期性结构的方法。而在微纳耦合结构的减阻方面，CN110576264A公开了一种利用超快脉冲激光在金属材料表面加工出微沟槽，然后在微沟槽表面加工出周期性纳米波纹的制造方法。但是，由于激光是通过烧蚀去除材料，主要适用于加工凹坑、凹槽和鼓包凸起，难以应用于精度较高的纳米级凸起结构。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供基于非晶合金压印的微纳耦合表面减阻结构及其制备方法，旨在解决现有的制备方法存在材料浪费、纳米结构的形状尺寸受限等问题。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一方面，提供了基于非晶合金压印的微纳耦合表面减阻结构的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
[0007]S1对模板基片进行预处理；
[0008]S2在预处理后的模板基片上加工出微米级的沟槽阵列；
[0009]S3将步骤S2制备的具有沟槽阵列的模板基片在酸性电解液中进行阳极氧化，以在所述沟槽阵列上制备出纳米级孔洞阵列，进而制得多孔模板；
[0010]S4将非晶合金板坯与步骤S3获得的多孔模板贴合并施加压力以进行压印，从而获得组合体；
[0011]S5将步骤S4获得的组合体中的多孔模板去除，进而制得所述微纳耦合表面减阻结构。
[0012]作为进一步优选的，步骤S1中，所述模板基片为纯铝板，所述预处理包括退火处理、清洗和烘干。
[0013]作为进一步优选的，步骤S1中，采用飞秒激光加工出沟槽阵列。
[0014]作为进一步优选的，步骤S2还包括：采用电化学抛光的方式去除所述沟槽阵列表面的毛刺和起伏。
[0015]作为进一步优选的，步骤S3中，一次阳极氧化后，去除阳极氧化膜后进行二次阳极氧化。
[0016]作为进一步优选的，步骤S4还包括：对所述非晶合金板坯的表面进行电化学抛光处理。
[0017]作为进一步优选的，步骤S4中，压印温度为400～500℃。
[0018]作为进一步优选的，步骤S5中，将组合体浸入氢氧化钾溶液中以将所述多孔模板去除。
[0019]按照本专利技术的另一方面，提供了一种利用上述方法制备的微纳耦合表面减阻结构。
[0020]作为进一步优选的，所述微纳耦合表面减阻结构包括微米级的沟槽阵列和纳米级的柱体簇，其中所述沟槽阵列包括预设数量的截面为三角形的沟槽；所述柱体簇设置在沟槽表面，其包括预设数量的柱体。
[0021]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下
[0022]有益效果：
[0023]1.本专利技术提供了基于非晶合金压印的微纳耦合表面减阻结构的制备方法，该方法首先做出用于压印的模具，然后用模具压印出结构，最后通过溶解去除模具，有效利用了非晶合金材料在微细结构成形方面的优势，与现有技术中需要去除材料的方法相比，具有材料利用率高、形状尺寸精度高等优势；
[0024]2.同时，本专利技术通过对制备过程进行优化，包括增加电化学抛光、二次阳极氧化等过程，能够更加精确地成形出沟槽阵列和柱体簇，提高制备精度；
[0025]3.此外，本专利技术还提供了基于非晶合金压印的微纳耦合表面减阻结构，该结构结合了微米沟槽和纳米柱体簇，能够综合两种不同尺度微结构的减阻优势，从而较大程度实现减阻。
附图说明
[0026]图1是本专利技术实施例提供的基于非晶合金压印的微纳耦合表面减阻结构的制备流
程图；
[0027]图2是本专利技术实施例提供的基于非晶合金压印的微纳耦合表面减阻结构的示意图。
[0028]在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
[0029]1‑
沟槽阵列，2
‑
柱体簇。
具体实施方式
[0030]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0031]如图1所示，本专利技术提供了基于非晶合金压印的微纳耦合表面减阻结构的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
[0032]S1将裁剪好的铝板作为模板基片，对模板基片进行预处理，包括退火处理、清洗和烘干；
[0033]S2采用飞秒激光在预处理后的模板基片上加工出微米级的沟槽阵列1，然后采用电化学抛光的方式去除沟槽阵列1表面的毛刺和起伏；
[0034]S3将步骤S2制备的具有沟槽阵列1的模板基片在酸性电解液中阳极氧化，以在沟槽阵列1上制备出纳米级孔洞阵列，进而获得多孔模板；
[0035]S4将电化学抛光处理后的非晶合金板坯与步骤S3获得的多孔模板贴合，并在400～500℃下施加压力以对非晶合金板坯进行压印，从而获得组合体；
[0036]S5将步骤S4获得的组合体浸入氢氧化钾溶液中以将多孔模板去除，进而制得微纳耦合表面减阻结构。
[0037]进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于非晶合金压印的微纳耦合表面减阻结构的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：S1对模板基片进行预处理；S2在预处理后的模板基片上加工出微米级的沟槽阵列(1)；S3将步骤S2制备的具有沟槽阵列(1)的模板基片在酸性电解液中进行阳极氧化，以在所述沟槽阵列(1)上制备出纳米级孔洞阵列，进而制得多孔模板；S4将非晶合金板坯与步骤S3获得的多孔模板贴合并施加压力以进行压印，从而获得组合体；S5将步骤S4获得的组合体中的多孔模板去除，进而制得所述微纳耦合表面减阻结构。2.如权利要求1所述的基于非晶合金压印的微纳耦合表面减阻结构的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述模板基片为纯铝板，所述预处理包括退火处理、清洗和烘干。3.如权利要求1所述的基于非晶合金压印的微纳耦合表面减阻结构的制备方法，其特征在于，步骤S2中，采用飞秒激光加工出沟槽阵列(1)。4.如权利要求1所述的基于非晶合金压印的微纳耦合表面减阻结构的制备方法，其特征在于，步骤S2还包括：采用电化学抛光的方式去除所述沟槽阵列(1)表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：李巧敏，张茂，施君儒，柳玉起，李红军，陈伟，江维，杨宇翔，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：