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1、(10)申请公布号 CN 104086154 A (43)申请公布日 2014.10.08 C N 1 0 4 0 8 6 1 5 4 A (21)申请号 201410282289.0 (22)申请日 2014.06.23 C04B 30/00(2006.01) C04B 41/69(2006.01) (71)申请人山东理工大学 地址 255086 山东省淄博市高新技术产业开 发区高创园D座1012室 (72)发明人韩鑫 (54) 发明名称 基于真空蒸镀的硅藻土基减阻防垢抑藻型功 能复合结构的制作方法 (57) 摘要 本发明采用真空蒸镀的方法在以硅藻土为基 材成形出的仿生减阻结构外表面再沉积一。
2、层防垢 抑藻合金，使得所制备的复合结构具备减阻、防 垢、抑藻等多种功能。有益之处：（1）本发明采用 机械仿形加工方法直接在固化成型后的硅藻土基 结构体上成形出仿生减阻结构，可以实现微孔缓 释减阻、仿生形貌减阻两种减阻机制的高效、有 机集成；（2）本发明采用真空蒸镀方法在仿生减 阻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。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书4页 附图4页 (19)中华人民共和国国家知。
3、识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图4页 (10)申请公布号 CN 104086154 A CN 104086154 A 1/1页 2 1.基于真空蒸镀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： 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15m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15m以上的硅藻壳体混合物； （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 一定工艺条件下将硅藻壳体混合物固化。
4、成型，脱模后得到一定形状的硅藻土基结构体； 其特征在于，还包括如下步骤： 第二步：仿生减阻结构在硅藻土基结构体表面的机械仿形加工成形 （A）以某种高游速水下生物的表皮作为仿生减阻结构的构形来源，借助一定的抽象、简 化和放大手段构建出仿生减阻结构的数字化模型； （B）以经（A）步骤构建的仿生减阻结构数字化模型为依据，采用机械仿形加工方法在第 一步制得的硅藻土基结构体某一表面上成形出具有一定加工精度的仿生减阻结构； 第三步：防垢抑藻合金镀层在仿生减阻结构外表面的真空蒸镀沉积 （A）将第二步加工有仿生减阻结构的硅藻土基结构体用去离子水反复冲洗46次然 后烘干，以去除机械仿形加工过程中产生的硅藻壳体碎。
5、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，采用多源共镀型真空蒸镀方法在经（A）步骤清洗后的仿生减阻结构外表面上沉积 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。
6、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15min30min后再静置60min120min，以保证硅藻土基结构体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、 仿生减阻结构和防垢抑藻合金镀层的功能复合结构体。 2.根据权利要求1所述的基于真空蒸镀的硅藻土基减阻防垢抑藻型功能复合结构的 制作方法，其特征在于：所述高游速水下生物是指鲨鱼、金枪鱼、旗鱼、剑鱼。 3.根据权利要求1所述的基于真空蒸镀的硅藻土基减阻防垢抑藻型功能复合结构的 制作方法，其特征在于：所述防垢抑藻合金镀层的厚度是50nm80。
7、nm。 4.根据权利要求1所述的基于真空蒸镀的硅藻土基减阻防垢抑藻型功能复合结构的 制作方法，其特征在于：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。 5.根据权利要求1所述的基于真空蒸镀的硅藻土基减阻防垢抑藻型功能复合结构的 制作方法，其特征在于：所述铜锌系合金CuZnX中合金元素X是Al、Ni、Cr、Ti中的一种或 几种金属的组合，其重量百分比含量为929。 权 利 要 求 书CN 104086154 A 1/4页 3 基于真空蒸镀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 0001 本发明涉及一种基于真空蒸镀。
8、的硅藻土基减阻防垢抑藻型功能复合结构的制作 方法，更特别地说，是指采用真空蒸镀的方法在以硅藻土为基材成形出的仿生减阻结构外 表面再沉积一层防垢抑藻合金，使得所制备的复合结构具备减阻、防垢、抑藻等多种功能， 属于仿生制造技术领域。 背景技术 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。
9、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。
10、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。
11、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。 发明内容 0004 本发明的目的在于，提供一种基于真空蒸镀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可以采用以下技术方案来实现： 基于真空蒸镀的硅藻土基减阻防垢抑藻型功能复合结构的制作方法，包括以下步骤： 说 明 书CN 104086154 A 2/4页 4 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。
12、声清 洗30min，然后使用15m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15m以上的硅藻壳体混合物； （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 一定工艺条件下将硅藻壳体混合物固化成型，脱模后得到一定形状的硅藻土基结构体； 第二步：仿生减阻结构在硅藻土基结构体表面的机械仿形加工成形 （A）以某种高游速水下生物的表皮作为仿生减阻结构的构形来源，借助一定的抽象、简 化和放大手段构建出仿生减阻结构的数字化模型； （B）以经（A）步骤构建的仿生减阻结构数字化模型为依据，采用机械仿形加工方法在第 一步制得的硅藻土基结构体某一表面上成形出具。
13、有一定加工精度的仿生减阻结构； 第三步：防垢抑藻合金镀层在仿生减阻结构外表面的真空蒸镀沉积 （A）将第二步加工有仿生减阻结构的硅藻土基结构体用去离子水反复冲洗46次然 后烘干，以去除机械仿形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，采用多源共镀型真空蒸镀方法在经（A）步骤清洗后的仿生减阻结构外表面上沉积 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。
14、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15min30min后再静置60min120min，以保证硅藻土基结构体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、 仿生减阻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 。
15、所述防垢抑藻合金镀层的厚度是50nm80nm。 0008 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。 0009 所述铜锌系合金CuZnX中合金元素X是Al、Ni、Cr、Ti中的一种或几种金属的组 合，其重量百分比含量为929。 0010 本发明的有益之处：（1）本发明采用机械仿形加工方法直接在固化成型后的硅藻 土基结构体上成形出仿生减阻结构，可以实现微孔缓释减阻、仿生形貌减阻两种减阻机制 的高效、有机集成；（2）本发明采用真空蒸镀方法在仿生减阻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；（。
16、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。 说 明 书CN 104086154 A 3/4页 5 附图说明 0011 图1为本发明的基于真空蒸镀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。 0012 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。 0013 图3为图2中硅藻土基结构体上随机区域A的放大视图。 0014 图4为本发明实施例提供的仿形加工有仿鲨鱼减阻形貌的硅藻土基结构体的示 意图。 0015 图5为对图4中随机区域B上仿鲨鱼减阻形貌进行剖切后的放大轴侧视图。 00。
17、16 图6为对图5中随机区域C上仿鲨鱼沟槽结构进行剖切后的放大轴侧视图。 0017 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。 0018 图8为图7中硅藻壳体外表面真空蒸镀防垢抑藻合金镀层后的纵剖面图。 0019 图中：1、硅藻土基结构体 2、硅藻壳体 3、仿生减阻形貌层 4、仿鲨鱼沟槽结构 5、硅藻壳体微孔 6、防垢抑藻合金镀层。 具体实施方式 0020 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。 0021 拟按照图1所示流程制作表层具有仿鲨鱼沟槽结构的硅藻土基减阻防垢抑藻型 功能复合结构。 0022 第一步：。
18、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15m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15m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1。显然，硅藻土基结构 体1是由若干不规则排布的硅藻壳体2构成的。 0023 第二步：仿生减阻结构在硅藻土基结构体表面的机械仿形加工成形 参照图4图6。首先，以常见高游速鲨鱼品。
19、种短尾真鲨的表皮作为仿生减阻结构的构 形来源，在对短尾真鲨鱼皮表面形貌进行结构调研的基础上，借助一定的抽象、简化和放大 手段构建出具有U形截面轮廓的仿鲨鱼沟槽结构模型；其次，以所构建的仿鲨鱼沟槽结构 模型为依据，采用业已成熟的机械仿形加工方法在第一步制得的硅藻土基结构体1的上表 面上成形出具有一定加工精度的仿生减阻形貌层3，且仿生减阻形貌层3由若干顺流向的U 形仿鲨鱼沟槽结构4构成，该沟槽结构起着一定的形貌减阻效能，且仿鲨鱼沟槽结构4上无 序排布着若干硅藻壳体2。 0024 第三步：防垢抑藻合金镀层在仿生减阻结构外表面的真空蒸镀沉积 参照图6图8。首先，将第二步加工有仿鲨鱼沟槽结构4的硅藻土基。
20、结构体1用去离 子水反复冲洗6次然后烘干，以去除机械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CuZnNi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， 说 明 书CN 104086154 A 4/4页 6 采用针对Cu、Zn、Ni的多源共镀型真空蒸镀方法在清洗后的硅藻土基结构体1上有仿生减 阻形貌层3的一面沉积厚度为70nm的防垢抑藻合金镀层6，为保证CuZnNi合金的防垢抑 藻效能，可确保合金元素Cu、Zn、Ni的重量百分比含量分别为46、25和29；最后，在 500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CuZnNi防垢抑藻 合金镀层进行。
21、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。 0025 需要说明的是，尽管仿鲨鱼沟槽结构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均将被蒸镀一层防垢抑藻合金镀层6。 0026 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。
22、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1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、仿生减阻结构和防垢抑藻合金镀层的功能复合结构体。 0027 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。 说 明 书CN 104086154 A 1/4页 7 图1 图2 说 明 书 附 图CN 104086154 A 2/4页 8 图3 图4 说 明 书 附 图CN 104086154 A 3/4页 9 图5 图6 说 明 书 附 图CN 104086154 A 4/4页 10 图7 图8 说 明 书 附 图CN 104086154 A 10 。