一种在铝合金表面制备超疏水复合膜层的方法

一种在铝合金表面制备超疏水复合膜层的方法

本发明涉及金属材料表面改性领域，具体涉及一种在铝合金表面制备超疏水复合膜层的方法。该方法通过微弧氧化和电化学沉积相结合的方式，在铝合金表面制备出具有超疏水性能的复合膜层，不仅保留了微弧氧化膜层的耐磨耐蚀性，还获得了超疏水特性，同时解决了传统低能修饰膜层耐候性差的问题。

背景技术

随着经济社会的不断发展，人们的生活水平逐渐提高。然而，人类社会在取得巨大经济繁荣的同时，环境污染成为亟需解决问题。轻量化设计及技术是解决上述问题的主要技术方案之一，已成为工程设计和材料工程等领域的战略目标。同时，轻量化材料被广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车、船舶制造等各个领域。

铝合金除具有铝的一般特性外，由于添加合金化元素的种类和数量的不同又具有一些合金的具体特性。铝合金的密度为2**.63～2.85g/cm3**，有较高的强度(抗拉强度σb为110～650mpa)，是最有代表性轻量化材料之一，同时，铝合金具有良好的导电、导热性能，良好的耐蚀性和可焊性，可作结构材料使用，在航天、航空、交通运输、建筑、机电、轻化和日用品中有着广泛的应用。然而作为结构材料使用时，铝合金自然形成的氧化膜由于其致密性及厚度有限，在复杂工况环境下(如剧烈磨损、强腐蚀等条件)容易出现磨损失效或腐蚀破坏，从而发生氧化膜脱落现象，严重影响铝合金结构件的使役性能和安全性能。因此，需要对铝合金进行表面防护处理，以提升铝合金结构件的耐磨耐蚀等性能。此外，对于航空用铝合金结构件来说，如果具有表面疏水及超疏水性能，可有效提升其防腐蚀、自清洁和抗结冰等使役性能，将大幅度改善飞行器的可靠性和飞行安全性。

铝合金的表面处理方法主要有化学氧化、阳极氧化和微弧氧化等。作为一种新型的环境友好的表面处理技术，微弧氧化是在铝、镁、钛等阀金属及其合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层。然而，在微弧氧化工艺过程中，试样表面产生微弧放电和大量的气泡冒出，从而使产生的膜层中易形成微孔及微裂纹等缺陷，导致微弧氧化膜层的致密性较低，限制了其性能的进一步提升。为了解决这一问题，可通过后续处理工艺对多孔结构的微弧氧化膜层进行封孔处理，改善其致密性，这些工艺包括沸水和蒸气封闭法、水解盐封闭法、重铬酸盐封闭法、填充封闭法等方法。

对于超疏水膜层的制备，可采用刻蚀法、阳极氧化法、水热反应法、电沉积法等方法，在材料表面制备微纳米级的粗糙结构，再加以低能物质进行修饰。而这种制备方法制备的超疏水膜层往往耐候性较差，低能物质与粗糙表面的结合性能也较差，低能修饰上的膜层在使役过程中(如划擦、磨损、高温、腐蚀等环境下)很容易失去超疏水性能。

本发明把微弧氧化的与电沉积技术结合，采用一种复合方法制备出耐磨、防腐蚀及超疏水新型复合膜层，既保留了微弧氧化膜层的较高耐磨耐蚀性等优异特性，又获得了超疏水特性，同时该复合超疏水膜层比传统低能修饰的表面膜层具有更好的耐候性和结合性能。此外该复合方法还能实现微弧氧化膜层的封孔处理。

目前国内外对铝合金表面微弧氧化法与电化学沉积法相结合制备超疏水复合膜层的研究鲜有报道。本发明对铝合金进行微弧氧化处理后再进行电化学沉积，制备出耐磨、防腐蚀及超疏水的新型复合膜层，提升了铝合金自清洁、防覆冰、耐腐蚀等性能，具有一定创新型。

技术实现思路

本发明旨在开发一种在铝合金表面制备超疏水复合膜层的方法，使铝合金微弧氧化膜层表面具备超疏水性，提升铝合金自清洁、防覆冰、耐腐蚀等性能。

为实现上述目的，本发明的具体工艺流程如下：

(1)铝合金表面预处理：将铝合金基板裁剪成合适尺寸，再用砂纸对其表面进行机械打磨，将试样清洗并用冷风吹干。

(2)微弧氧化处理：配置含一定浓度的硅酸盐溶液，充分搅拌使其混合均匀，将步骤(1)预处理的铝合金试样作为阳极，采用但不仅限于不锈钢作为阴极。微弧氧化工艺采用但不仅限于恒压模式，设置电压为200-500v、时间为5-30min，对样品进行微弧氧化处理，在铝合金表面得到多孔的厚度不小于6μm的微弧氧化膜层。

(3)电沉积处理：配置0.075mol/l六水合硝酸铈(cen3o9·6h2o)、0.3mol/l十八烷酸(c18h32o2)、无水乙醇及去离子水的混合溶液，将步骤(2)中得到的表面为微弧氧化膜层的铝合金作为阴极，采用但不仅限于石墨片作为阳极，溶液温度为20-80℃，在30-60v电压下进行电化学沉积0.1-0.5h，得到mao(微弧氧化)/ed(电沉积)超疏水复合膜层。

采用本发明的方法制备的铝合金表面微弧氧化/电沉积超疏水复合膜层(微弧氧化陶瓷膜/十八烷酸铈)，表面呈微纳米级粗糙结构，去离子水在该超疏水复合膜层表面的接触角为152.2°～155.6°，滚动角为4～7°。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用的微弧氧化法和电化学沉积法，反应时间短、效率高，易于推广应用。

(2)本发明获得的超疏水膜层不需要低能修饰，膜层有更好的耐久性，且对微弧氧化膜层起到封孔的作用。

(3)本发明在铝合金微弧氧化膜层表面制备超疏水涂层，对试样的形状和尺寸无特殊要求，适用范围广。

技术特征

1.一种在铝合金表面制备超疏水复合膜层的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

技术总结

本发明涉及一种在铝合金微弧氧化膜表面制备超疏水复合膜层的方法，属于金属材料表面改性领域。首先，对铝合金表面进行预处理并清洗；然后配制电解液，以铝合金试样作为阳极，不锈钢桶作为阴极，首先采用微弧氧化工艺在铝合金表面制备多孔氧化膜层；随后通过电化学沉积法，在铝合金微弧氧化膜层上获得具有微纳米级粗糙结构的超疏水膜层(微弧氧化陶瓷膜/十八烷酸铈复合膜层)。与传统的制备超疏水膜层的方法相比，本方法不需要进行低能修饰，便能获得水接触角超过150°的超疏水膜层，此外微弧氧化膜层表面可得到有效的封闭。该方法工艺操作简单，处理效率高、涂层厚度可控等优点，易于推广。

技术研发人员：张伟华,孙香玉,杨悦,张坤龙,于思荣

受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）

技术研发日：

技术公布日：2025/3/20