一种增材制造NiTi合金超疏水表面的制备方法

技术领域

本发明属于工程材料技术领域，具体涉及一种增材制造NiTi合金超疏水表面的制备方法。

背景技术

通过增材制造制备的NiTi合金有着广泛的应用前景，可以实现传统熔炼，铸模等方式无法实现的复杂结构件的制备。已经成功地应用于心血管支架，骨移植结构材料等医学领域，以及航空航天发动机，行星起落架等航空航天领域。金属材料表面的润湿性对基础研究和实际应用都十分重要。对于增材制造NiTi合金而言，超疏水功能特性的实现既可以有效提高耐蚀性又可以实现高的血液相容性以及抑菌性能。传统一般采取物理气相沉积、电化学沉积、酸蚀等方式构建超疏水表面。但传统加工方式存在的最大弊端就是超疏水性不稳定，无法长期保持，同时耗费时间严重。纳秒激光加工技术作为一种常用的减材制备技术广泛应用于超疏/亲水/油等方面，相对于其他传统加工方式，纳秒激光加工具有成本低、长期稳定、维护简单、耐久性强以及加工速度快等优点。然而，将纳秒激光加工的方式应用于增材制造NiTi合金超疏水表面的构建尚未引起注意。因此，通过纳秒激光加工实现增材制造NiTi合金表面超疏水行为具有重要的价值与意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的方式来实现增材制造NiTi合金表面润湿性的改变，在保证制备方式简单、制备时间短的同时，有效提高增材制造NiTi合金表面的疏水特性，并实现超疏水特性；本发明通过调节纳秒激光制备的参数，改变NiTi合金表面样貌，进而实现NiTi合金表面的疏水特性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种增材制造NiTi合金超疏水表面的制备方法，包括以下步骤：

S1.增材制造NiTi合金样品的制备；通过BLT-S210打印机，以激光功率125 W，扫描速度600 mm/s，层间距80 μm，层厚30 μm的工艺参数，制备NiTi合金样品；

S2.增材制造NiTi合金样品表面预处理；将S1中所制备的样品通过400目、600目、800目以及1200目砂纸依次打磨至光面，去除表面氧化层，之后在无水乙醇中进行超声波清洗，再使用去离子水冲洗干净，最后在空气中自然晾干备用；

S3.纳秒激光加工制备微纳分级结构；将S2中所制备的样品进行纳秒激光加工，激光功率选取10 W，扫描速度为500 mm/s，扫描间距为40 μm，重复扫描5次，加工完成后，在室温下采用无水乙醇进行超声波清洗，然后用去离子水冲洗后自然晾干；

S4.热处理加工；将步骤S3中处理完的样品进行低温热处理，温度为150摄氏度，时间为1h，加热完成后在空气中冷却至室温；

S5.接触角测量；通过电镜观察S4处理后的长方体块样品表面形貌，并通过接触角测试仪对样品表面接触角进行测量，水滴大小为3μL，测量的接触角为152.0±2°。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明通过纳秒激光加工增材制造NiTi合金表面，可以快速、高效的制备出表面微纳结构，并结合热处理的工艺，加速增材制造NiTi合金表面超疏水功能的实现；本发明通过短时间的加工与后处理方式，快速实现增材制造NiTi合金表面超疏水功能特性，同时制备方式简单易行，可控性极高，成本低廉，可以做到批量生产，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为不同纳秒激光加工参数下获得的样品电镜图片。

图2为不同纳秒激光加工参数下获得的样品接触角曲线图。

图3为纳秒激光加工路径示意图。

具体实施方式

实施例

一种增材制造NiTi合金超疏水表面的制备方法，包括以下步骤：

S1.增材制造NiTi合金样品的制备；通过BLT-S210打印机，以激光功率125 W，扫描速度600 mm/s，层间距80 μm，层厚30 μm的工艺参数，在NiTi基板上打印，打印完成后，通过线切割技术将打印样品从基板上切下，样品为长方体块，长宽高分别为10 mm，10 mm和5mm；

S2.增材制造NiTi合金样品表面预处理；将S1中所制备的长方体块样品通过400目、600目、800目以及1200目砂纸依次打磨至光面，去除表面氧化层，之后在无水乙醇中进行超声波清洗，再使用去离子水冲洗干净，最后在空气中自然晾干备用；超声波清洗时间为0.5h，超声频率40kHZ，输入功率为100W；

S3.纳秒激光加工制备微纳分级结构；将S2中所制备的长方体块样品进行纳秒激光加工，激光功率选取10 W，扫描速度为500 mm/s，扫描间距为40 μm，重复扫描5次，加工完成后，在无水乙醇中进行超声波清洗，然后用去离子水冲洗后自然晾干；超声波清洗时间为0.5h，超声频率40kHZ，输入功率为100W；

S4.热处理加工；将马弗炉加热到150 ℃后，将S3中的长方体块样品放入马弗炉中，恒温1h后取出，在空气中冷却至室温；

S5.接触角测量；通过电镜观察S4处理后的长方体块样品表面形貌，并通过接触角测试仪对长方体块样品表面接触角进行测量，水滴大小为3μL，测量的接触角为152.0±2°。

对比例1，未对样件进行纳秒激光表面处理；

S1.增材制造NiTi合金样品的制备；通过BLT-S210打印机，以激光功率125 W，扫描速度600 mm/s，层间距80 μm，层厚30 μm的工艺参数，在NiTi基板上打印，打印完成后，通过线切割技术将打印样品从基板上切下，样品为长方体块，长宽高分别为10 mm，10 mm和5mm；

S2.增材制造NiTi合金样品表面预处理；将S1中所制备的长方体块样品通过400目、600目、800目以及1200目砂纸依次打磨至光面,去除表面氧化层，去除表面氧化层，之后在无水乙醇中进行超声波清洗，再使用去离子水冲洗干净，最后在空气中自然晾干备用；超声波清洗时间为0.5h，超声频率40kHZ，输入功率为100W；

S3.热处理加工及接触角测量；将马弗炉加热到150 ℃后，将S2中的长方体块样品放入马弗炉中，恒温1h后取出，在空气中冷却至室温；

S4.接触角测量；通过电镜观察S3处理后的长方体块样品表面形貌，并通过接触角测试仪对长方体块样品表面接触角进行测量，水滴大小为3μL，测量的接触角为64.0±5°。

对比例2，扫描间距为50 μm，

S1.增材制造NiTi合金样品的制备；通过BLT-S210打印机，以激光功率125 W，扫描速度600 mm/s，层间距80 μm，层厚30 μm的工艺参数，在NiTi基板上打印，打印完成后，通过线切割技术将打印样品从基板上切下，样品为长方体块，长宽高分别为10 mm，10 mm和5mm；

S2.增材制造NiTi合金样品表面预处理；将S1中所制备的长方体块样品通过400目、600目、800目以及1200目砂纸依次打磨至光面，去除表面氧化层，之后在无水乙醇中进行超声波清洗，再使用去离子水冲洗干净，最后在空气中自然晾干备用；超声波清洗时间为0.5h，超声频率40kHZ，输入功率为100W；

S3.纳秒激光加工制备微纳分级结构；将S2中所制备的长方体块样品进行纳秒激光加工，激光功率选取10 W，扫描速度为500 mm/s，扫描间距为50 μm，重复扫描5次，加工完成后，在无水乙醇中进行超声波清洗，然后用去离子水冲洗后自然晾干；超声波清洗时间为0.5h，超声频率40kHZ，输入功率为100W；

S4.热处理加工；将马弗炉加热到150 ℃后，将S3中的长方体块样品放入马弗炉中，恒温1h后取出，在空气中冷却至室温；

S5.接触角测量；通过电镜观察S4处理后的长方体块样品表面形貌，并通过接触角测试仪对长方体块样品表面接触角进行测量，水滴大小为3μL，测量的接触角为97.8±5°。

对比例3，扫描间距为60 μm，

S1.增材制造NiTi合金样品的制备；

通过BLT-S210打印机，以激光功率125 W，扫描速度600 mm/s，层间距80 μm，层厚30 μm的工艺参数，在NiTi基板上打印，打印完成后，通过线切割技术将打印样品从基板上切下，样品为长方体块，长宽高分别为10 mm，10 mm和5 mm；

S2.增材制造NiTi合金样品表面预处理；将S1中所制备的长方体块样品通过400目、600目、800目以及1200目砂纸依次打磨至光面，去除表面氧化层，之后在无水乙醇中进行超声波清洗，再使用去离子水冲洗干净，最后在空气中自然晾干备用；超声波清洗时间为0.5h，超声频率40kHZ，输入功率为100W；

S3.纳秒激光加工制备微纳分级结构；将S2中所制备的长方体块样品进行纳秒激光加工，激光功率选取10 W，扫描速度为500 mm/s，扫描间距为60 μm，重复扫描5次，加工完成后，在无水乙醇中进行超声波清洗，然后用去离子水冲洗后自然晾干；超声波清洗时间为0.5h，超声频率40kHZ，输入功率为100W；

S4.热处理加工；将马弗炉加热到150 ℃后，将S3中的长方体块样品放入马弗炉中，恒温1h后取出，在空气中冷却至室温；

S5.接触角测量；通过电镜观察S4处理后的长方体块样品表面形貌，并通过接触角测试仪对长方体块样品表面接触角进行测量，水滴大小为3μL，测量的接触角为80.1±4°。

对比例4，扫描间距为70 μm；

S1.增材制造NiTi合金样品的制备；通过BLT-S210打印机，以激光功率125 W，扫描速度600 mm/s，层间距80 μm，层厚30 μm的工艺参数，在NiTi基板上打印，打印完成后，通过线切割技术将打印样品从基板上切下，样品为长方体块，长宽高分别为10 mm，10 mm和5mm；

S2.增材制造NiTi合金样品表面预处理；将S1中所制备的长方体块样品通过400目、600目、800目以及1200目砂纸依次打磨至光面，去除表面氧化层，之后在无水乙醇中进行超声波清洗，再使用去离子水冲洗干净，最后在空气中自然晾干备用；超声波清洗时间为0.5h，超声频率40kHZ，输入功率为100W；

S3.纳秒激光加工制备微纳分级结构；将S2中所制备的长方体块样品进行纳秒激光加工，激光功率选取10 W，扫描速度为500 mm/s，扫描间距为70 μm，重复扫描5次，加工完成后，在无水乙醇中进行超声波清洗，然后用去离子水冲洗后自然晾干；超声波清洗时间为0.5h，超声频率40kHZ，输入功率为100W；

S4.热处理加工；将马弗炉加热到150 ℃后，将S3中的长方体块样品放入马弗炉中，恒温1h后取出，在空气中冷却至室温；

S5.接触角测量；通过电镜观察S4处理后的长方体块样品表面形貌，并通过接触角测试仪对长方体块样品表面接触角进行测量，水滴大小为3μL，测量的接触角为114.2±4°。

对比例5，扫描间距为80 μm；

S1.增材制造NiTi合金样品的制备；通过BLT-S210打印机，以激光功率125 W，扫描速度600 mm/s，层间距80 μm，层厚30 μm的工艺参数，在NiTi基板上打印，打印完成后，通过线切割技术将打印样品从基板上切下，样品为长方体块，长宽高分别为10 mm，10 mm和5mm；

S2.增材制造NiTi合金样品表面预处理；将S1中所制备的长方体块样品通过400目、600目、800目以及1200目砂纸依次打磨至光面，去除表面氧化层，之后在无水乙醇中进行超声波清洗，再使用去离子水冲洗干净，最后在空气中自然晾干备用；超声波清洗时间为0.5h，超声频率40kHZ，输入功率为100W；

S3.纳秒激光加工制备微纳分级结构；将S2中所制备的长方体块样品进行纳秒激光加工，激光功率选取10 W，扫描速度为500 mm/s，扫描间距为80 μm，重复扫描5次，加工完成后，在无水乙醇中进行超声波清洗，然后用去离子水冲洗后自然晾干；超声波清洗时间为0.5h，超声频率40kHZ，输入功率为100W；

S4.热处理加工；将马弗炉加热到150 ℃后，将S3中的长方体块样品放入马弗炉中，恒温1h后取出，在空气中冷却至室温；

S5.接触角测量；通过电镜观察S4处理后的长方体块样品表面形貌，并通过接触角测试仪对长方体块样品表面接触角进行测量，水滴大小为3μL，测量的接触角为109.3±5°。

应理解，各步骤中的接触角范围在90°以下属于亲水，90°-150°属于疏水，150°以上属于超疏水，通过本发明的方法可以精确可控的控制疏水程度，相对于传统刻蚀不可控具有巨大的进步。