基于磁控溅射的硅藻土基减阻防垢抑藻型功能复合结构的制作方法 【技术领域】。 [0002]硅藻土是由硅藻的古代残骸沉积物生成的硅质沉积岩，其主要结构单体是不同种类形态(常见的有球形、盘形、圆筒形、杆形、舟形等)的硅藻壳体及其碎片，主要化学成分是二氧化硅。由于中空的硅藻壳体表面布满微纳米级的通透小孔，这使得硅藻土具有质轻、孔隙度大、吸附性和渗透性强、化学性质稳定以及耐磨、耐热等特点，是一种具有重要应用价值的天然多孔玻璃材料。利用硅藻土的上述特性，将其固化成型后应用于减阻领域，可以作为缓释减阻剂的结构体，如进一步在该结构体表面成形出仿生减阻形貌，则可以制作出集缓释减阻与形貌减阻于一体的复合结构体。例如，专利号为ZL201110261667.3、ZL201110261739.4、ZL201110261678.1的中国专利相继公开了基于硅藻土制作仿生减阻结构的制作方法。 [0003]集多种功能于一体、制备功能复合结构以实现更多功能的集成与耦合是当前功能复合材料制造领域的重要发展趋势。当前，在管道输运、船舶航运等领域除存在减阻需求之外，还要面对来自流固界面上水体硬垢集结及藻类微生物附着所产生的巨大危害，无形中大大增加了相关设备的维护及使用成本，因而在防垢抑藻方面尚存在巨大的社会需求。以CuZnX (X代表合金元素)为代表的防垢抑藻合金是当前新材料研究领域的研究热点，该新型材料在防垢抑藻方面具有显著的应用效果，并已在城市供水和石油开采领域开展应用。其防垢抑藻机理是:当合金与水接触时，由于其整体电负性比水的小，合金可向水中释放电子，由于电子的迁移运动使合金周围形成电场，电场作用下使水产生极化效应，改变水的静电动势，使水中各种物质分子之间的结合力发生改变，水中的固相颗粒包括藻类及微生物袍子受其影响始终处于悬浮和溶解状态，从而有效抑制水垢的形成和藻体的附着，达到防垢抑藻的目的。因此，在上述硅藻土基仿生减阻结构基础上，如能进一步引入防垢抑藻合金，探索集减阻、防垢、抑藻于一体的新型功能复合结构的制作方法，必将为工业生产和人民生活带来巨大的经济和社会效益。

[0004]本发明的目的在于，提供一种基于磁控溅射的硅藻土基减阻防垢抑藻型功能复合结构的制作方法，以解决上述技术问题。
[0005]本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现:
基于磁控溅射的硅藻土基减阻防垢抑藻型功能复合结构的制作方法，包括如下步骤:第一步:硅藻土原材料的壳体滤选及结构固化成型
(A)以市售硅藻土为原材料，室温条件下将一定量的硅藻土原材料浸入清水中超声清洗30min，然后使用15 μ m的滤布过滤以滤除细碎硅藻壳体、浮尘及其他可溶物，烘干后得到粒径在15 μ m以上的娃藻壳体混合物；
(B)将经(A)步骤制得的硅藻壳体混合物置于一定形状的模具中，采用烧结固化方法在一定工艺条件下将娃藻壳体混合物固化成型，脱模后得到一定形状的娃藻土基结构体；
第二步:高逼真仿生减阻微结构在硅藻土基结构体表面的微雕刻成形
(A)以某种高游速水下生物的表皮作为仿生减阻微结构的生物原型，借助一定的数据采集手段采集该种高游速水下生物表皮形貌的高精度结构尺寸数据；
(B)以经(A)步骤采集的生物原型结构数据为依据，采用微雕刻加工方法在第一步制得的硅藻土基结构体某一表面上成形出具有一定形貌逼真度的高逼真仿生减阻微结构；
第三步:防垢抑藻合金镀层在仿生减阻微结构外表面的磁控溅射沉积
(A)将第二步加工有高逼真仿生减阻微结构的硅藻土基结构体用去离子水反复冲洗4~6次然后烘干，以去除微雕刻加工过程中产生的硅藻壳体碎片及粉尘；
(B)以铜锌系合金CuZnX作为防垢抑藻合金，在确保不阻塞绝大多数硅藻壳体微孔的前提下，采用磁控溅射方法在经(A)步骤清洗后的高逼真仿生减阻微结构外表面上沉积一定厚度、一定组分比的防垢抑藻合金镀层；
(C)在不致熔化二氧化硅质硅藻壳体固化结构的前提下，采用一定的加热温度对经(B)步骤制得的防垢抑藻合金镀层进行晶化热处理，使其由非晶态合金变为晶态合金；
第四步:减阻剂、防垢剂和抑藻剂在功能复合结构体内部的吸附
(A)以市售常用减阻剂、防垢剂、抑藻剂作为强化功能复合结构体减阻、防垢、抑藻功能的流体介质，分别配置适当浓度的减阻液、防垢液、抑藻液并充分混合在一起，制得多功能混合溶液；
(B)将第三步制得的功能复合结构体浸入经(A)步骤配置的多功能混合溶液中，真空除气15min~30min后再静置60min~120min,以保证娃藻土基结构体内部众多娃藻壳体空腔及微孔吸附足够多的多功能混合溶液以备缓释，最终制得兼具硅藻壳体固化缓释结构、高逼真仿生减阻微结构和防垢抑藻合金镀层的功能复合结构体。
[0006]所述高游速水下生物是指鲨鱼、金枪鱼、旗鱼、剑鱼。
[0007]所述高逼真仿生减阻微结构的形貌逼真度不低于90%。
[0008]所述防垢抑藻合金镀层的厚度是50nm~80nm。
[0009]所述防垢抑藻合金镀层中合金元素Cu的重量百分比含量为46%~56 %，合金元素Zn的重量百分比含量为25%~35%。
[0010]所述铜锌系合金CuZnX中合金元素X是Al、N1、Cr、Ti中的一种或几种金属的组合，其重量百分比含量为9~29%。
[0011]本发明的有益之处:(I)本发明采用微雕刻方法直接在固化成型后的硅藻土基结构体上成形出高逼真仿生减阻微结构，可以实现微孔缓释减阻、仿生微形貌减阻两种减阻机制的高效、有机集成；(2)本发明采用磁控溅射方法在仿生减阻微结构外表面沉积防垢抑藻合金镀层，使得硅藻土基结构体进一步具备了物理型防垢抑藻功能；(3)本发明借助固化成型后硅藻壳体的多孔特性吸附减阻、防垢、抑藻型多功能混合溶液以备缓释，进一步从化学角度强化了功能复合结构的上述功能。




[0012]图1为本发明的基于磁控溅射的硅藻土基减阻防垢抑藻型功能复合结构的制作方法流程图。
[0013]图2为本发明实施例提供的固化成型后硅藻土基结构体的示意图。
[0014]图3为图2中硅藻土基结构体上随机区域A的放大视图。
[0015]图4为本发明实施例提供的雕刻有仿鲨鱼减阻形貌的硅藻土基结构体的示意图。
[0016]图5为图4中随机区域B上高逼真仿鲨鱼减阻形貌的放大视图。
[0017]图6为对图5中仿鲨鱼盾鳞结构上C区域进行剖切后的放大轴侧视图。
[0018]图7为本发明实施例提供的图3中圆筒形硅藻壳体的纵剖面图。
[0019]图8为图7中硅藻壳体外表面磁控溅射防垢抑藻合金镀层后的纵剖面图。
[0020]图中:1、硅藻土基结构体2、硅藻壳体3、仿生减阻形貌层4、仿鲨鱼盾鳞结构
5、娃藻壳体微孔6、防垢抑藻合金镀层。


[0021]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施例进一步阐述本发明。
[0022]拟按照图1所示流程制作表层具有高逼真仿鲨鱼盾鳞结构的硅藻土基减阻防垢抑藻型功能复合结构。
[0023]第一步:硅藻土原材料的壳体滤选及结构固化成型
参照图2、图3。首先，以市售硅藻土为原材料，室温条件下将一定量的硅藻土原材料浸入清水中超声清洗30min，然后使用15 μ m的滤布过滤以滤除细碎硅藻壳体、浮尘及其他可溶物，烘干后得到粒径在15 μ m以上的硅藻壳体混合物；其次，将所制得的硅藻壳体混合物置于一长方体形状的模具中，采用业已成熟的硅藻土烧结固化方法在一定工艺条件下将硅藻壳体混合物固化成型，脱模后得到长方体形状的硅藻土基结构体I。显然，硅藻土基结构体I是由若干不规则排布的娃藻壳体2构成的。
[0024]第二步:高逼真仿生减阻微结构在硅藻土基结构体表面的微雕刻成形
参照图4、图5。首先，以常见高游速鲨鱼品种短尾真鲨的表皮作为仿生减阻微结构的生物原型，借助高精度表面轮廓扫描技术对其表面形貌进行三维扫描和成像，进而获取该种高游速水下生物表皮形貌的高精度结构尺寸数据；其次，以所采集的短尾真鲨鱼皮生物原型结构数据为依据，采用业已成熟的微雕刻加工方法在第一步制得的硅藻土基结构体I的上表面上成形出一仿生减阻形貌层3，且仿生减阻形貌层3由呈菱形交错排列、形貌逼真度达95%的高逼真仿鲨鱼盾鳞结构4构成。
[0025]参照图6，以硅藻壳体2为基材的高逼真仿鲨鱼盾鳞结构4上包含若干顺流向且具有完美截面轮廓的微沟槽，该微沟槽结构起着显著的形貌减阻效能。
[0026]第三步:防垢抑藻合金镀层在仿生减阻微结构外表面的磁控溅射沉积
参照图 6~图8。首先，将第二步加工有高逼真仿鲨鱼盾鳞结构4的硅藻土基结构体I用去离子水反复冲洗6次然后烘干，以去除微雕刻加工过程中产生的硅藻壳体碎片及粉尘；其次，以铜锌系合金CuZnAl作为防垢抑藻合金，在确保不阻塞绝大多数硅藻壳体微孔5的前提下，采用针对Cu、Zn、Al的磁控溅射方法在清洗后的硅藻土基结构体I上有高逼真仿生减阻形貌层3的一面沉积厚度为SOnm的防垢抑藻合金镀层6，为保证CuZnAl合金的防垢抑藻效能，可确保合金元素Cu、Zn、Al的重量百分比含量分别为56%、35%和9% ;最后，在500°C下(该温度尚不致熔化二氧化硅质的硅藻壳体多孔结构)对所制得的CuZnAl防垢抑藻合金镀层进行晶化热处理，使其由非晶态合金变为晶态合金，这有助于其持续发挥防垢抑藻效能。
[0027]需要说明的是，尽管高逼真仿鲨鱼盾鳞结构4外表面上硅藻壳体2呈无序状堆砌排布，但所有这些暴露在外的硅藻壳体2均将被溅射一层防垢抑藻合金镀层6。
[0028]第四步:减阻剂、防垢剂和抑藻剂在功能复合结构体内部的吸附
首先，以市售常用减阻剂聚丙烯酰胺、防垢剂硅磷晶、抑藻剂青蒿醚作为强化功能复合结构体减阻、防垢、抑藻功能的流体介质，分别配置质量百分比浓度为3%的聚丙烯酰胺减阻液、质量百分比浓度为0.5%的硅磷晶防垢液和质量百分比浓度为1%。的青蒿醚抑藻液并充分混合在一起，制得多功能混合溶液；其次，将第三步制得的功能复合结构体浸入所配置的多功能混合溶液中，真空除气20min后再静置120min，以保证硅藻土基结构体I内部众多硅藻壳体空腔及微孔吸附足够多的多功能混合溶液以备缓释，最终制得兼具硅藻壳体固化缓释结构、高逼真仿生减阻微结构和防垢抑藻合金镀层的功能复合结构体。
[0029]以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。