阅读说明：本技术 一种具有高效滴状凝结的金属表面及其制备方法 (Metal surface with efficient dropwise condensation and preparation method thereof ) 是由 龙江游 曹佐 谢小柱 于 2019-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明属于金属表面处理技术领域,公开了一种具有高效滴状凝结的金属表面及其制备方法。该金属表面包括亲水区域和超疏水区域；先采用脉冲激光烧蚀金属基材,在金属表面制得周期性凹凸微纳结构；清洗表面后,用低表面能物质修饰凹凸微纳结构,得到超疏水的金属表面；再通过表面精密抛磨或脉冲激光烧蚀去除超疏水的金属表面的周期性凹凸微纳结构中凸起部分的低表面能物质制得；在无低表面能物质的凸起部分的表面形成亲水区域,涂覆低表面能物质的凹入部分为超疏水区域。该金属表面在凝结时,优先在亲水区域形成凝结液滴,由于受到周围超疏水区域的限制,液滴更容易离开金属表面,使表面始终保持滴状凝结状态,提高凝结效率。(The invention belongs to the technical field of metal surface treatment, and discloses a metal surface with efficient dropwise condensation and a preparation method thereof. The metal surface comprises hydrophilic regions and super-hydrophobic regions; firstly, ablating a metal substrate by adopting pulse laser, and preparing a periodic concave-convex micro-nano structure on the surface of the metal; after the surface is cleaned, modifying the concave-convex micro-nano structure by using a low surface energy substance to obtain a super-hydrophobic metal surface; removing low surface energy substances of the convex parts in the periodic concave-convex micro-nano structure on the super-hydrophobic metal surface by surface precision polishing or pulsed laser ablation to prepare the super-hydrophobic metal surface coating; hydrophilic regions are formed on the surfaces of the convex portions free of the low surface energy substance, and the concave portions coated with the low surface energy substance are super-hydrophobic regions. When the metal surface is coagulated, the coagulated liquid drops are preferentially formed in the hydrophilic area, and the liquid drops are more easily separated from the metal surface due to the limitation of the surrounding super-hydrophobic area, so that the surface is always kept in a drop-shaped coagulation state, and the coagulation efficiency is improved.)

一种具有高效滴状凝结的金属表面及其制备方法

技术领域

本发明属于金属基材表面处理技术领域，更具体地，涉及一种具有高效滴状凝的结金属表面及其制备方法。

背景技术

水蒸气遇冷变成水的过程被称为凝结。凝结是发电、海水淡化、热管理等工业程序中的关键步骤。在固体表面，水蒸汽的凝结过程包括滴状凝结和膜状凝结两种形式。膜状凝结时，凝结液滴在表面形成水膜，会阻碍后续的凝结和换热过程，影响凝结效率。相反的，在滴状凝结时，当凝结液长大到一定程度时会离开表面，使得固体表面始终有区域处于裸露状态，从而提高凝结和换热的效率。滴状凝结的凝结和换热效率远远高于膜状凝结。

形成滴状凝结的常规手段是对材料表面进行疏水化改性，弱化凝结液滴在表面的浸润铺展，使得凝结液滴更容易离开表面。但是，常规的疏水改性在实际应用中很难长时间维持滴状凝结状态。近年来，随着纳米技术的发展，具有“荷叶效应”的超疏水表面由于其极强的拒水能力，受到了广泛关注。当超疏水表面应用于凝结时，水蒸气会部分进入表面微结构，造成超疏水表面部分失效，阻碍了液体的脱离，影响了其凝结性能。因此，一些技术通过附加手段来加速液体的脱离。例如，专利CN 102269539 B公开了一种通过对超疏水表面施加一宽频率振动，控制液滴脱落时直径的方法。但是，这些技术方法都相对较为复杂，应用成本较高。如何通过对表面本身的处理，加速液体的脱离，维持高效滴状凝结，具有迫切的现实意义。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明首要目的在于提供一种具有高效滴状凝结的金属表面。

本发明的另一目的在于提供上述具有高效滴状凝结的金属表面的制备方法。该方法利用脉冲激光在金属表面制备锥状的周期性表面微纳结构，配合表面疏水改性，实现超疏水基体，再通过表面精细研磨或选择性激光烧蚀去除，部分去除锥状结构的顶部，获得微米级的局部亲水区域。凝结过程中，凝结在亲水区域优先发生，在长大过程中受到周围凹陷超疏水区域的限制，迅速离开表面，从而加速凝结液滴在表面的脱落，最终提高凝结效率。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种具有高效滴状凝结的金属表面，所述金属表面包括亲水区域和超疏水区域；先采用脉冲激光烧蚀金属基材，在金属表面制得周期性凹凸微纳结构；清洗表面后，用低表面能物质修饰凹凸微纳结构，得到超疏水的金属表面；再通过表面精密抛磨或脉冲激光烧蚀去除超疏水的金属表面的周期性凹凸微纳结构中凸起部分的低表面能物质制得；在无低表面能物质的凸起部分的表面形成亲水区域，而涂覆低表面能物质的凹入部分为超疏水区域。

优选地，所述金属基材为铜、铜合金、铝、铝合金、钢或钛合金。

优选地，所述脉冲激光可为纳秒激光、皮秒激光或飞秒激光；所述脉冲激光的脉冲宽度为200飞秒～10纳秒；所述脉冲激光中的激光为红外光、可见光或紫外光，所述脉冲激光中激光波长为300～1100nm；所述脉冲激光的脉冲重复频率为10kHz～2MHz。

优选地，所述凹凸周期性微纳结构的周期为1～100μm，所述凹凸周期性微纳结构中凸起部分为锥形、梯形、乳突状或凸块，凹入部分为倒三角形、倒梯形或凹槽。

优选地，所述凹凸周期性微纳结构中凸起部分的高度为1～50μm。

优选地，所述超疏水区域的表面还附着激光烧蚀产生的颗粒，所述颗粒的粒径为10～1000nm。

优选地，所述的低表面能物质为表面能小于25mJ/m²的固体或表面张力小于25mN/m的液体。

更为优选地，所述低表面能物质为硅氧烷、氟硅烷或脂肪酸中的一种以上。

优选地，所述的亲水区域的水表面接触角为0.1～90°，亲水区域的面积为0.1～500μm²；所述的超疏水区域的水表面接触角为150～180°；所述的去除周期性凹凸微纳结构的凸起部分的的厚度为0.1～5μm。

所述的具有高效滴状凝结的金属表面的制备方法，包括如下具体步骤：

S1.用脉冲激光烧蚀金属基材，在金属基材的表面得到凸凹周期性表面微纳结构；

S2.用低表面能物质修饰凹凸周期性表面微纳结构的金属表面，得到超疏水的凹凸微纳结构；

S3.通过表面精密抛磨或脉冲激光烧蚀去除周期性凹凸微纳结构的凸起部分的低表面能物质制得；在无低表面能物质的凸起部分的表面形成亲水区域，而涂覆低表面能物质的凹入部分为超疏水区域。

本发明提供的制备方法中的“激光烧蚀去除”是指当脉冲激光能量密度超过某种材料的烧蚀阈值时，激光作用区内材料表面出现蒸发、融化现象，形成材料的去除，去除量取决于激光参数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明通过脉冲激光在金属表面制备凹凸周期性表面微纳结构，配合低自由能物质的表面修饰，得到超疏水金属表面，再通过表面精密研磨或选择性脉冲激光烧蚀去除，去除凹凸周期性表面微纳结构的顶部，得到具有凸起部分具有亲水性，周围具有超疏水性的凹凸微纳结构的金属表面。在凝结过程中，本发明制备的金属表面可以加速凝结液滴的脱离，提高凝结效率。

2.本发明利用激光烧蚀金属材料表面形成凹凸周期性表面微纳结构，其制备的结构稳定，微纳米结构的周期和深度均可调节，从而实现对最终凝结效果的调节，具有极大的灵活性和可设计性。

3.本发明通过表面精密研磨或选择性脉冲激光烧蚀去除，去除凹凸周期性表面微纳结构的凸起部分，去除的深度可以得到较好控制，从而实现不同比例的亲水、超疏水区域分布。

4.本发明通过凸起部分具有亲水性、周围具有超疏水的凹凸微纳结构来促进凝结过程。亲水的凸起区域有利于蒸气快速形核形成微米级液滴，周围超疏水区域的存在抑制了微米级凝结液滴的相互连接，避免了大的凝结液滴的形成。同时，微米级液滴在周围超疏水基体的约束下，更加容易从表面脱落，从而加速凝结过程。和普通超疏水表面相比，即使超疏水部分局部失效，由于凸起亲水区域高于周围的超疏水区域，同时亲水区域的面积小，在重力作用下，凝结液滴依然更加容易脱离表面。

附图说明

图1为实施例1中具有高效滴状凝结的铝金属表面的电镜照片。

图2为实施例1中具有高效滴状凝结的铝金属表面液滴接触角示意图。

图3为实施例1中具有高效滴状凝结的铝金属表面和普通铝金属表面的凝结对比照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

实施例1

1.金属基材的准备：用机械加工方法将铝片表面磨平，清洗干燥待用；

2.激光处理：采用脉宽为800飞秒的飞秒激光(重复频率为40kHz、平均功率为10W)，配合X-Y扫描振镜和平面场镜，将激光聚焦为直径40μm的光斑，使激光束以100mm/s的速度逐行逐列烧蚀铝表面，各行各列的扫描间距均为40μm。激光处理后，铝表面形成乳突状微观结构的周期性微纳米结构，即周期分布的锥状微米突出和突出表面的纳米颗粒(激光烧蚀的产物)，微米级凸起的周期约为40μm，深度约为30μm。

3.表面修饰：将步骤2处理好的铝片用水冲洗干燥，之后放入滴有全氟辛基三甲氧基硅烷的密闭容器中。将容器放入100℃的烘箱中放置1h，即得到超疏水的铝表面。

4.表面研磨；利用精密研磨机对步骤3处理好的超疏水铝表面进行表面研磨，去除深度1μm，即制得具有高效滴状凝结的铝表面。

图1为实施例1中高效滴状凝结金属铝表面的电镜照片，其中，A是磨平后的凸起的亲水区域(黑色虚线框内)，B是凹部的超疏水区域；从图1中可知，凸起的亲水区域的面积可通过参数调控，未受影响的区域依然保持超疏水性。制备表面水的表面接触角如图2所示。从图2可知，接触角为149.4°。所制得的铝表面当用于凝结实验时(表面温度10℃，环境温度25℃，相对湿度80％)，其表面凝结情况如图3所示。相较于普通抛光后的铝表面，其表面凝结液滴较小，且更易从表面滚落，单位时间收集到的凝结液滴重量为普通表面的2倍。

实施例2

1.金属基材的准备：首先用机械加工方法将铝片表面磨平，清洗干燥待用；

2.激光处理：采用飞秒脉冲激光(波长532nm，脉冲宽度300飞秒，重复频率为40kHz、平均功率为10W)，配合X-Y扫描振镜和平面场镜，聚焦光斑为30μm。逐行逐列烧蚀铜表面，各行各列的间距均为30μm。激光束扫描速度为60mm/s。激光处理后，铜表面形成乳突状微观结构的周期性微纳米结构，即周期分布的微米级凸出和凸出表面的纳米颗粒(激光烧蚀的产物)。微米级突出的周期均约为30μm，微米结构的深度约为25μm；

3.表面修饰：将步骤2处理好的铜表面清洗干燥。放入溶解有1％质量分数月桂酸的乙醇溶液中，2h后取出，并在60℃的烘箱中干燥1h，即得到超疏水的铜表面。

4.选择性表面去除；将步骤3处理好的超疏水铜表面放在工作台上，通过视觉定位系统准确定位到某一微米凸起顶部，利用步骤2中的激光系统在表面扫描间距为30μm的点阵，实现对微米结构顶部的部分去除。即得具有高效滴状凝结的铜表面。

实施例3

1.金属基材的准备：首先用机械加工方法将钛合金片表面磨平，清洗干燥待用；

2.激光处理：采用飞秒脉冲激光(波长532nm，脉冲宽度300飞秒，重复频率为40kHz、平均功率为10W)，配合X-Y扫描振镜和平面场镜，聚焦光斑为30μm。逐行逐列烧蚀铜表面，各行各列的间距均为30μm。激光束扫描速度为60mm/s。激光处理后，钛合金表面形成乳突状微观结构的周期性微纳米结构，即周期分布的微米级凸出和凸出表面的纳米颗粒(激光烧蚀的产物)。微米级突出的周期均约为100μm，微米结构的深度约为50μm；

3.表面修饰：将步骤2处理好的铜表面清洗干燥。放入溶解有1％质量分数月桂酸的乙醇溶液中，2h后取出，并在60℃的烘箱中干燥1h，即得到超疏水的钛合金表面。

4.选择性表面去除；将步骤3处理好的超疏水铜表面放在工作台上，通过视觉定位系统准确定位到某一微米凸起顶部，利用步骤2中的激光系统在表面扫描间距为30μm的点阵，实现对微米结构顶部的部分去除。即得具有高效滴状凝结的钛合金表面。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。