摘 要

本文借助电火花线切割技术在铜合金表面制备微纳复合结构，通过研究线切割工艺参数与加工表面结构特征的关系，以纳米结构实现最大静态接触角为优化目标，优化出最佳工艺参数。在此基础上，通过调控微结构尺寸参数，研究微结构的尺寸参数对微纳复合表面疏水能力的影响规律，研究表明，当微结构的宽度取100μm时，制备的微纳复合结构经低表面能修饰后能实现超疏水，其静态接触角为156.3°，滚动角为8.3°。结合三大润湿理论模型对不同尺度的加工表面润湿性进行分析，发现润湿模型能很好的解释实验现象。该方法简单、环保、低成本，可一步制备超疏水结构，具有很大的应用前景。

关键词：微纳结构；线切割；润湿性能；超疏水

Abstract

In this paper，the micro-nanocomposite structure was prepared on the surface of copper alloy by means of EDM，and the maximum static contact angle was optimized by nanostructures by studying the relationship between the cutting process parameters and the surface structure characteristics. The optimum process parameters were optimized. On the basis of this, the influence of the size parameters of the microstructure on the hydrophobic capacity of the micro-nano composite surface was studied by adjusting the microstructure size parameters. The results show that when the width of the microstructure is 100μm，the micro- Can be modified to achieve super-hydrophobic, the static contact angle of 156.3°，rolling angle of 8.3°. Based on the theoretical model of three wetting theories，the wettability of machined surface was analyzed. It was found that the wetting model could explain the experimental phenomena well. The method is simple, environmentally friendly, low - cost, one - step preparation of super - hydrophobic structure, has great application prospects.

Key Words：Micro-nanostructure；wire cutting；wetting performance；super-hydrophobic

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景、目的和意义 1

1.2 微纳技术研究现状 2

1.2.1 国内外微纳技术研究现状 2

1.2.2 微纳结构的制备方法 3

1.2.3 微纳技术的应用 4

1.3 课题研究内容 5

第2章 表面微纳结构设计与制备 6

2.1 引言 6

2.2 线切割加工原理 6

2.3 微纳结构设计思路 8

2.4 线切割工艺参数的优化 8

2.5 微纳复合结构的制备 12

2.6 本章小结 14

第3章 铜合金超疏水表面性能研究 15

3.1 引言 15

3.2 实验设备及方法 15

3.2.1 实验材料及设备 15

3.2.2 实验方法 15

3.3 铜合金超疏水表面性能研究 15

3.4 本章小结 20

第4章 微纳复合结构的润湿机理探讨 21

4.1 引言 21

4.2 固体表面润湿机理简介 21

4.3 栅栏式微凸柱结构理触角公式推导 23

4.3 铜合金表面微纳复合结构润湿机理分析 25

4.5 本章小结 26

第5章 总结与展望 27

致谢 28

参考文献 29

第1章 绪论

1.1 研究的背景、目的及意义

随着纳米技术的不断发展，微纳复合技术应运而生。例如微纳复合材料不仅具有特殊的结构，还包含了微米材料的特点和纳米材料的许多特殊性能。大自然为人类利用仿生技术提供了丰富的资源。早在两千多年以前，人们就发现了这样一个奇特的现象：荷花虽然生长在污泥当中，但是它的叶子却几乎保持着清洁，具有“出淤泥而不染”的特性。这个现象在上世纪末才被德国伯恩大学的斯洛等人研究出原因。他们通过使用扫描电镜对荷叶的表面进行观察，发现荷叶表面上具有微米乳突结构以及蜡物质。通过研究,这种微米乳突结构以及荷叶表面蜡质组分共同作用，形成了超疏水表面，赋予荷叶独特的超疏水性。这种表面让水滴可以轻易滚动并带走表面上的灰尘却不留下任何痕迹，进而达到“出淤泥而不染”的效果。除荷叶之外，大自然中还有许多的植、动物具有超疏水现象。例如水稻叶片表面上的水滴可以沿叶片生长的方向滚动，但是水滴其垂直的方向是很难滚动的；被很多人喜爱的玫瑰也有类似的特性，玫瑰花瓣上的小水珠通常会粘附在其表面，这也是为何雨后玫瑰更显鲜艳的原因之一。蝴蝶是具有超疏水能力的昆虫，它在翅膀扇动时，落在翅

图1.1 自然界中的微纳结构（a）水稻叶片（b）蝴蝶翅膀（c）玫瑰花瓣

膀表面的水滴会沿着轴心放射方向滚动，这就使得下雨天蝴蝶飞过但雨滴不会沾湿蝴蝶的身体；除此之外，水黾还可以在水面上演“凌波微步”，轻松跳跃。现实中，超疏水表面已被大家所熟知。而近年来,人们对于材料表面的性能要求，尤其是对于金属表面的性能的要求越来越高，在这样的情况下，人们通过微加工、精加工制备出的微纳结构显著改善了金属表面的性能，这使得微纳技术得以大家重视并飞快发展，如今大家都相信微纳技术的发展会很大程度影响以后的制造业。如今微纳技术已成为本世纪最具发展的技术之一，以后该技术领域的竞争会愈加的激烈。因此对于表面微纳结构及其润湿性能的研究具有很大的价值。

在工业生产和日常生活中，如何降低金属表面因腐蚀等因素造成的损失与危害一直是一个我们关心的话题，它密切地影响着国民经济。随着“一带一路”大的发展战略，我国对于海洋战略高度重视，涉及到了海军、海洋能源、海洋运输等。国家加大了对海洋环境的探索与开发。如今，随着海上丝绸之路的兴起，海洋经济会快速发展。在国家战略的带动下，贸易会带动制造业，航海业的加速发展。这就要求未来的金属材料要有很多性能，例如具有一定的抗海洋污染物附着能力、抗海水腐蚀的能力、具有很强的超疏水能力等。这类材料用于舰艇、货船、潜艇表面，不但能有效地减小海水对船舰的腐蚀以降低损失，还可以提高航行速度。除此之外，超疏水性材料还可以用在汽车行业，这样可以让汽车更不易脏，后视镜更不易雾化。类似的，超疏水材料可用于高层楼房的外层玻璃上，这样解决了清洗难得问题，也避免了人清洗出现的安全事故。此外还可以用在寒冷地区远距离输电线上，避免结冰压断电线，同时还可用在输油管道上，这样既无损运输，又清洁。以上的例子只是超疏水材料未来应用的一个缩影，其优势不言而喻。现阶段对表面微纳结构的研究，大多数是有关疏水性方面的研究，而对与表面微纳结构的其他特性如摩擦性能报道很少。其实，疏水材料本身不仅仅只是具备疏水特性，它还有很多别的特性，例如耐磨损、耐腐蚀、抗覆冰等。所以研究微纳结构及其特性是一个及其重要的课题。

1.2 微纳技术的研究概况