本发明属于微细加工技术领域，涉及到一种能实现金属基底液滴饼状弹跳的超疏水方柱阵列的电液束加工方法。
背景技术：
当雨滴从空中落下来时，由于近地面的气温很低，常会在接触表面冻结成一层薄冰，气象上把这种天气现象称为“冻雨”，冻雨在接触表面会不断积累。当冻雨时间持续较长时，极易造成树木的折断、电力和通讯塔倒塌，造成交通事故以及航班延误，仅带来的直接经济损失就可达数百亿元。为此人们寻找有效的方法减小其与固体表面的粘附。近年来，研究人员发现超疏水表面具有较高接触角和较低滚动角，并希望借助于水滴撞击超疏水表面时液-固接触时间短并易滚落的特征来防止冻雨附着。水滴撞击超疏水平面时会先铺展然后回弹最后离开基体，对于固定体积的液滴，液-固接触时间几乎不随撞击速度而发生改变。这一结果显然不利于超疏水在抗结冰领域的应用，如何进一步减小液-固接触时间具有重要意义。2013年，bird等发现液滴撞击超疏水平面上的高180μm的长条形脊状结构时，液滴会破裂，液-固接触时间会减小约37％(nature.2013,503:385-388)。2015年，gauthier等进一步研究了超疏水平面上直径高度为几十至几百微米级的长条形脊柱状结构对液-固接触时间的影响，发现即使液滴不破裂，液-固接触时间也显著减小(naturecommunications.2015,6,:8001)。同年，liu等还发现液滴撞击超疏水平面上横向放置的、直径几个毫米的长条形圆柱状结构曲面也可降低液-固接触时间(naturecommunications.2015,6,10034)。尽管上述长条形脊状或横向放置的圆柱状结构曲面均可有效降低液-固接触时间，但实际使用时大部分雨滴均不会滴落在脊状或圆柱状结构曲面上，应用价值较低。2014年，liu等观察到水滴撞击超疏水亚毫米级的锥柱和方柱阵列上会出现饼状弹跳，液-固接触时间减小约80％(naturephysics,2014,10:515-519)。这种大面积的柱状阵列结构由于能保证雨滴均与之接触，故应用价值较大。liu等研发出的超疏水锥柱和方柱阵列直径约20-100μm，高度约800-1200μm，这种类型的结构由于直径过小且高径比过大，目前只能用电火花线切割方法加工出。但是由于微细电火花加工的加工间隙较小，工具电极损耗较为严重，且电解加工过程中的电刻蚀产物排出不畅，容易造成短路等现象极大影响加工质量。同时，微细电火花加工对于电源的稳定性、微细电极的制备以及控制系统的精度都具有较为严格的要求，故该种加工方式成本较高。因此有必要探索一种低成本在金属基底构建具有液滴饼状弹跳功能的阵列结构的加工工艺。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种能在金属基底构建具有液滴饼状弹跳功能的阵列结构的加工工艺。本发明主要提出柱边长0.3-0.6mm、柱间距0.4mm、柱高0.6-1.0mm的超疏水方柱阵列也可实现液滴饼状弹跳，且该发明具有通用性，可通过工艺参数的调整在多种金属基底上实现液滴饼状弹跳表面的加工。
本发明的技术方案：
一种液滴饼状弹跳的超疏水方柱阵列的电液束加工方法，步骤如下：
(1)预处理：对金属工件进行打磨，去除表面氧化层及表面缺陷，清洗后吹干；所述的金属板为不锈钢、铝合金、高铬合金等；
(2)电液束加工：基于搭建的电液束加工装置，将金属工件与粘结有100-200μm石英毛细管的有机玻璃喷嘴垂直布置，固定于阳极夹具的金属工件通过引电螺钉接正极，调整有机玻璃喷嘴末端与金属工件加工间隙为0.5-1.0mm，接通高压直流电源进行加工，电解液压力0.6mpa，通过电解液循环系统将阴极化的电解液由有机玻璃喷嘴喷向待加工区域，金属工件沿规划轨迹以1-3mm/min进行运动；所述的电解液为1.8-3mol/l的nano3溶液；控制加工单位面积的电荷量为11.25-22.5c/mm2；
(3)超声清洗：将加工好的金属工件进行超声清洗，去除表面的残留溶液及杂质产物后吹干；
(4)超疏水处理：喷涂含纳米tio2颗粒的氟硅烷乙醇混合溶液，晾干后获得超疏水方柱阵列；所述的混合溶液中纳米tio2颗粒与氟硅烷的乙醇溶液(质量分数为1wt.％)的质量比不低于1:25。
本发明的有益效果：
(1)本发明提出的方柱阵列尺寸高径比低，易加工；
(2)本发明采用定域性好的电液束技术构建宏观柱状阵列和喷涂纳米涂层的方法加工超疏水方柱阵列，且工具阴极无损耗、可简单、低成本地在金属基底上实现液滴饼状弹跳表面的加工；
(3)本发明主要加工金属材料，可选材料种类较多，且材料具有应用范围广、比强度高、价格低等特点；
(4)本发明加工出的超疏水方柱阵列可使液-固接触时间减少约60％。
附图说明
图1是电液束加工超疏水方柱阵列的加工装置示意图。
图2是21μl水滴从3cm高度下落撞击超疏水不锈钢方柱阵列的运动情况。
图3是制备的超疏水不锈钢方柱阵列的疏水示意图。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例：
利用电液束加工的方法获得可实现液滴饼状弹跳的超疏水方柱阵列，加工装置示意图如图1所示，具体方法如下：
(1)预处理：分别用800#和1500#砂纸打磨65mm×30mm×2mm的304不锈钢板并用去离子水超声清洗，去除表面氧化层和油污，然后吹干备用；
(2)电液束加工：基于搭建的电液束加工装置，将不锈钢板与粘结有180μm石英毛细管的有机玻璃喷嘴垂直布置，固定于阳极夹具的不锈钢板通过引电螺钉接正极，调整有机玻璃喷嘴末端与工件加工间隙为0.8mm，接通高压直流电源进行加工，加工电压800v，电解液压力0.6mpa，通过电解液循环系统将阴极化的电解液由有机玻璃喷嘴喷向待加工区域，金属工件通过三维数控系统在设定程序下沿规划轨迹以1mm/min进行运动；所述的电解液为3mol/l的nano3溶液；控制加工单位面积的电荷量为20c/mm2；
(3)超声清洗：将加工好的不锈钢板置于盛有乙醇溶液的烧杯中，置于超声波清洗器中进行超声清洗，去除表面的残留的溶液和加工产生的杂质产物后吹干；
(4)超疏水处理：配备含纳米tio2颗粒的氟硅烷乙醇混合溶液，其中50g氟硅烷的乙醇溶液(质量分数为1wt.％)中含6g纳米tio2颗粒(40nm)；将该混合液均匀喷涂于步骤3中得到的不锈钢方柱阵列上获得超疏水不锈钢方柱阵列。
1.一种液滴饼状弹跳的超疏水方柱阵列的电液束加工方法，其特征在于，步骤如下：
(1)预处理：对金属工件进行打磨，去除表面氧化层及表面缺陷，清洗后吹干；
(2)电液束加工：基于搭建的电液束加工装置，将金属工件与粘结有100-200μm石英毛细管的有机玻璃喷嘴垂直布置，固定于阳极夹具的金属工件通过引电螺钉接正极，调整有机玻璃喷嘴末端与金属工件加工间隙为0.5-1.0mm，接通高压直流电源进行加工，电解液压力0.6mpa，通过电解液循环系统将阴极化的电解液由有机玻璃喷嘴喷向待加工区域，金属工件沿规划轨迹以1-3mm/min进行运动；控制加工单位面积的电荷量为11.25-22.5c/mm2；
(3)超声清洗：将加工好的金属工件进行超声清洗，去除表面的残留溶液及杂质产物后吹干；
(4)超疏水处理：喷涂含纳米tio2颗粒的氟硅烷乙醇混合溶液，晾干后获得超疏水方柱阵列。
2.根据权利要求1所述的液滴饼状弹跳的超疏水方柱阵列的电液束加工方法，其特征在于，所述的金属板为不锈钢、铝合金或高铬合金。
3.根据权利要求1或2所述的液滴饼状弹跳的超疏水方柱阵列的电液束加工方法，其特征在于，所述的电解液为1.8-3mol/l的nano3溶液。
4.根据权利要求1或2所述的液滴饼状弹跳的超疏水方柱阵列的电液束加工方法，其特征在于，所述的混合溶液中纳米tio2颗粒与质量分数为1wt.％氟硅烷的乙醇溶液的质量比不低于1:25。
5.根据权利要求3所述的液滴饼状弹跳的超疏水方柱阵列的电液束加工方法，其特征在于，所述的混合溶液中纳米tio2颗粒与质量分数为1wt.％氟硅烷的乙醇溶液的质量比不低于1:25。
技术总结