阅读说明：本技术 一种用于高温表面液滴定向输运的脊阵列结构及其制备方法 (Ridge array structure for directional transportation of liquid drops on high-temperature surface and preparation method thereof ) 是由 刘亚华 王国洪 刘聪 孙宽 冯诗乐 于 2020-05-12 设计创作，主要内容包括：一种用于高温表面液滴定向输运的脊阵列结构及其制备方法,属于金属基材表面处理技术领域。包括：选用基材,对基材进行研磨抛光预处理；采用线切割精加工技术在基材表面加工一级微米级斜脊阵列结构；利用湿法刻蚀在一级微米级斜脊阵列结构表面制备二级微纳米球颗粒结构。该微斜脊阵列结构表面为非对称表面,液滴撞击在高温表面上时,其底部产生沿斜脊间槽方向向下流动的气流,驱动液滴沿微脊倾斜的反方向定向运动,与常温浸润性梯度表面液滴定向运输效果相比,高温微斜脊结构表面上液滴定向运动的速度更快；且采用室温下在通用性不锈钢基材上加工微斜脊阵列结构的方法实现,制备方法简单、易于操作、效率高、成本低、可用于大规模生产。(A ridge array structure for directional transportation of liquid drops on a high-temperature surface and a preparation method thereof belong to the technical field of surface treatment of metal substrates. The method comprises the following steps: selecting a base material, and carrying out grinding and polishing pretreatment on the base material; processing a primary micron-grade oblique ridge array structure on the surface of the base material by adopting a linear cutting finish machining technology; and preparing a secondary micro-nano spherical particle structure on the surface of the primary micron-sized oblique ridge array structure by wet etching. The surface of the micro-oblique ridge array structure is an asymmetric surface, when liquid drops impact on a high-temperature surface, airflow flowing downwards along the direction of grooves between oblique ridges is generated at the bottom of the micro-oblique ridge array structure, the liquid drops are driven to directionally move along the oblique opposite direction of the micro-ridges, and compared with the directional transportation effect of the liquid drops on the normal-temperature wettability gradient surface, the directional movement speed of the liquid drops on the surface of the high-temperature micro-oblique ridge structure is higher; the method for processing the micro inclined ridge array structure on the general stainless steel substrate at room temperature is adopted, and the preparation method is simple, easy to operate, high in efficiency, low in cost and applicable to large-scale production.)

一种用于高温表面液滴定向输运的脊阵列结构及其制备方法

技术领域

本发明属于金属基材表面处理技术领域，涉及一种通过线切割精加工技术和湿法刻蚀技术，实现具有一级微米级斜脊阵列结构和二级微纳米级粗糙结构的可用于高温表面液滴定向运输的微斜脊结构的制备方法。

背景技术

液滴的自发定向运输在各种尺度上以不同的形态广泛存在于自然系统和实际工程中，例如毫秒级的雨滴、微米级的晨露和雾气等，涵盖了从干旱沙漠中的水收集到潮湿雨林中的除湿、从芯片实验室中的微流控制到能源电力系统中的冷凝换热、从飞机表面的抗结冰到油气运输的界面减阻等多种多样的环境系统，是国内外学者研究的热点和前沿领域。液滴目前实验研究中实现液滴自发定向运输的方法主要通过设计非对称的表面结构和化学组成，打破固/液界面三相接触线的对称性，提供非机械方向性驱动力，从而推动微液滴自发定向运输。但是，这些表面的粘附和摩擦会限制液滴运输的速度和距离。并且，其制备大多需要精密的加工技术，制备过程复杂，很难大规模、高精度的生产。

近年来，关于“Leidenfrost effect”的研究成为国内外研究的热点。液滴“Leidenfrost effect”是当液滴接触在远高于其沸点的固体表面时，其与固体之间由于固液换热而迅速产生一层蒸气膜，从而使液滴悬浮在蒸气层之上的现象。研究表明，Leidenfrost状态下的液滴运动不受界面粘附力的影响，因此表现较大的运输速度和距离，这为具有快速长程的液滴定向运输功能的表面的设计提供了灵感。

本发明针对以上问题，提供一种通过线切割精加工技术和湿法刻蚀技术，实现具有一级微米级斜脊阵列结构和二级微纳米级粗糙结构的可用于高温表面液滴定向运输的微斜脊结构的制备方法。液滴该微斜脊结构表面为非对称表面，液滴撞击在高温表面上时，液滴底部能够产生沿斜脊间槽方向向下流动的气流，驱动液滴沿微脊倾斜的反方向定向运动，与常温非对称表面液滴定向运输效果相比，高温微斜脊结构表面上液滴定向运动的速度更快，最大水平平均速度达到46cm/s。并且，本发明制备方法简单，周期短，产品成本低，使用方便，可以大规模生产。

本发明具体技术方案如下：

一种用于高温表面液滴定向输运的脊阵列结构，所述的微斜脊结构包括一级微米级斜脊阵列结构和二级微纳米级粗糙结构，所述一级微米级斜脊阵列结构加工在金属基底材料上，二级微纳米级粗糙结构附着于一级微斜脊阵列结构的上表面。

所述的金属基底材料为不锈钢，型号为201、202、302、304、316及410等。所述的一级微米级斜脊阵列结构为脊宽为50～400μm，脊间距为100～800μm，脊高度为100～400μm，脊倾角(与加工表面垂直法线之间的夹角)为15°～60°。所述的二级微纳米级粗糙结构为直径0.1～5μm的球状颗粒。

一种用于高温表面液滴定向输运的脊阵列结构的制备方法，包括以下步骤：

第一步，选用不锈钢为基底材料，对不锈钢基底进行研磨抛光预处理；

所述的金属基底材料为不锈钢，型号为201、202、302、304、316及410等。尺寸为50mm×20mm×3mm。所述的对不锈钢基底进行研磨抛光预处理是指采用粒度为800目、1000目、1500目的砂纸对不锈钢薄片研磨抛光，去除表面杂质和划痕，再使用抛磨步抛磨表面使其光整，表面粗糙度范围为0.1～1μm。

第二步，采用线切割精加工技术在不锈钢基材表面加工一级微米级斜脊阵列结构；

所述的线切割精加工技术是指在基材表面利用线切割精加工方法加工出微斜脊阵列结构，线切割丝直径为100μm，加工次数为循环走丝1～5次，丝进给速度为1～20mm/min，尺寸加工精度小于0.015mm。

第三步，利用湿法刻蚀在一级微米级斜脊阵列结构表面制备二级微纳米球颗粒结构。

所述的利用湿法刻蚀在一级微米级斜脊阵列结构表面制备二级微纳米球颗粒结构是指用浓度为1～4mol/L的稀盐酸溶液浸泡1～5min，而后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗8～20min，之后用氮气吹干。

本发明的优点在于：

(1)本发明通过结合线切割精加工技术和湿法刻蚀技术，实现具有一级微米级斜脊阵列结构和二级微纳米级粗糙结构的可用于高温表面液滴定向运输的微斜脊结构的制备。

(2)本发明制备的微斜脊阵列结构表面为非对称结构表面，液滴撞击在高温表面上时，液滴底部能够产生沿斜脊间槽方向向下流动的气流，驱动液滴沿微脊倾斜的反方向定向运动，与常温浸润性梯度表面液滴定向运输效果相比，高温微斜脊结构表面上液滴定向运动的速度更快，最大水平平均速度达到46cm/s。

(3)本发明以线切割精加工技术为基础，采用室温下在通用性不锈钢基材上加工微斜脊阵列结构的方法实现，制备方法简单、易于操作、效率高、成本低。

附图说明

图1为微斜脊阵列结构SEM图；其中，图1(a)脊倾角为15°的一级微斜脊阵列结构侧视SEM图。图1(b)脊倾角为60°的一级微斜脊阵列结构侧视SEM图。图1(c)脊倾角为15°的一级微斜脊阵列结构俯视SEM图。图1(d)二级微纳米球颗粒的SEM图。

图2为样品表面温度为380℃时，直径为2.85mm的液滴在微斜脊阵列表面定向运动时序图；其中，图2(a)样品表面温度为380℃时，直径为2.85mm的液滴在脊倾角为15°微斜脊阵列表面定向运动时序图；图2(b)样品表面温度为380℃时，直径为2.85mm的液滴在脊倾角为60°微斜脊阵列表面定向运动时序图。

图3为温度为350～480℃时，直径为2.85mm液滴的水平最大速度均值。

具体实施形式

下面结合实施例和附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。

实施例1

本实施例提供一种用于高温表面液滴定向输运的脊倾角为15°的脊阵列结构的制备方法，包括以下具体步骤：

第一步、选用不锈钢为基底材料，对不锈钢基底进行研磨抛光预处理；

在本实例中，选用的基材为304不锈钢，尺寸为50mm×20mm×3mm。采用粒度为1500目的砂纸对不锈钢薄片研磨抛光，去除表面杂质和划痕，使表面光整。

第二步，采用线切割精加工技术在不锈钢基材表面加工一级微斜脊阵列结构；

线切割精加工所使用的线切割机型号为MV2400S数控线切割放电加工机，线切割丝直径为100μm，加工次数为循环走丝1次，丝进给速度为8mm/min，尺寸加工精度小于0.015mm，在经过预处理的不锈钢基底表面加工出脊宽为300μm，脊间距为600μm，脊高度为300μm，脊倾角为15°的微米级斜脊阵列结构，结构侧视和俯视SEM图分别如图1(a)、(c)所示。

第三步，利用湿法刻蚀在一级微米级斜脊阵列结构表面制备二级微纳米球颗粒结构。

用1mol/L的稀盐酸溶液浸泡1min，然后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗8～20min，之后用氮气吹干，制得直径为0.1～5μm的二级微米球颗粒结构，SEM图如图1(d)右图所示。

在温度大于350℃时，直径为2.85mm的液滴在脊倾角为15°的微斜脊阵列结构上实现快速定向运动，运动方向与斜脊倾斜方向相反,最大运动速度为23.255±1.45cm/s(如图2a和3所示)。

实施例2

本实施例的一种用于高温表面液滴定向输运的脊倾角为60°的脊阵列结构的制备方法，包括以下具体步骤：

第一步、选用不锈钢为基底材料，对不锈钢基底进行研磨抛光预处理；

在本实例中，选用的基材为304不锈钢，尺寸为50mm×20mm×3mm。采用粒度为1500目的砂纸对不锈钢薄片研磨抛光，去除表面杂质和划痕，使表面光整。

第二步，采用线切割精加工技术在不锈钢基材表面加工一级微斜脊阵列结构；

线切割精加工所使用的线切割机型号为MV2400S数控线切割放电加工机，线切割丝直径为100μm，加工次数为循环走丝3次，丝进给速度为2mm/min，尺寸加工精度小于0.015mm，在经过预处理的不锈钢基底表面加工出脊宽为300μm，脊间距为500μm，脊高度为300μm，脊倾角为60°的微米级斜脊阵列结构，结构侧视SEM图如图1(b)所示。

第三步，利用湿法刻蚀在一级微斜脊阵列结构表面制备二级微纳米球颗粒结构。

用3mol/L的稀盐酸溶液浸泡3min，然后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗8～20min，之后用氮气吹干，制得直径为0.1～5μm的二级微纳米球颗粒结构。

构，SEM图如图1(d)右图所示。

在温度大于350℃时，直径为2.85mm的液滴在脊倾角为15°的微斜脊阵列结构上实现快速定向运动，运动方向与斜脊倾斜方向相反,最大运动速度为40.4±2.14cm/s(如图2a和3所示)。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。