CN101219506A - 金属基超疏水性微结构表面的激光制备方法 - Google Patents

金属基超疏水性微结构表面的激光制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及微结构表面设计制备及激光微加工技术领域，其根据材料的特点来设计制备条件，并采用氧化法或覆膜法由飞秒激光于真空环境下制备出金属基微结构表面，以在不经任何表面处理的情况下一次性实现表面超疏水性。本发明操作简单、制备效率高。采用表面氧化处理或镀膜的方法由激光微结构一次性加工即可实现金属基超疏水表面的制备，工艺简单，加工快捷。具有可控性。激光能量、光斑直径、扫描速度等工艺参数独立可控，而且通过计算机程序控制实现激光线扫描和面扫描来获得不同的微结构形貌。

Description

金属基超疏水性微结构表面的激光制备方法
技术领域
本发明涉及微结构表面设计制备及激光微加工技术领域，特指对制备条件进行设计、并结合飞秒激光微加工方法在金属或金属氧化物表面进行真空微结构加工、以直接获得金属基超疏水表面的激光制备方法，可适用于钛、锌、不锈钢等金属材料以及TiO2、ZnO等金属氧化物材料。
背景技术
超疏水表面一般是指与水的接触角θ大于150°而滚落角α小于10°的表面，它在工农业生产和人们的日常生活中都有着极其广阔的应用前景。关于微结构表面超疏水性能的研究由来已久，最初源自于生物表面荷叶效应的发现。对各种生物表面疏水性的基础研究表明，许多生物表面具有微米与纳米相结合的阶层结构，这种微纳米尺度结合的双层或多层复合粗糙结构正是许多生物表面具有超疏水性能的根本原因。人们受此启发，已通过应用传统的表面微加工技术例如紫外光刻、等离子体刻蚀、电子束刻蚀等技术在材料表面制作微纳米尺度结合的复合粗糙结构实现了材料表面的超疏水性能，使得材料具有无比优越的自洁特性，材料的防污染、防老化、抗氧化、抗腐蚀等能力也得到大大提高。
一直以来，通过构建微结构实现表面超疏水性的材料主要集中于无机非金属材料和聚合物材料。关于在金属材料表面进行微结构加工来实现表面超疏水性的研究目前较少且不够深入，有限的研究主要是针对ZnO纳米薄膜、TiO2薄膜、Cu基薄膜等进行了初步的实验制备和表面润湿性测试分析。虽然在金属基(如钛及其合金)表面构建微结构方面的研究较多，但研究者主要关注其微结构形成的机理以及工艺参数对其综合性能的影响，较少将其引入到润湿性能的研究，更未实现根本意义上的金属基超疏水表面的制备。有人等采用阳极氧化法制备出了阳极氧化铝板，其表面需经硅烷化处理才能显示出超疏水性(与水的接触角约为160°)；也有人应用脉冲激光在sol-gel TiO2薄膜表面刻蚀出微米级的沟槽形貌，其制备的具有微结构的氧化物薄膜显示出稳定的亲水特性(与水的接触角为83°)；还有人利用生物矿化启发的形貌生成技术成功发展了一步浸泡法，并在金属铜板表面构筑了非常稳定的超疏水薄膜(接触角约为162°，滚落角小于5°)，虽然其研究结果对于金属的自清洁和防腐蚀均有着重要的意义，但其须经过有机试剂处理才能获得稳定超疏水性。
将表面超疏水性充分拓宽到金属材料范围，对于金属基体微结构表面的实际应用具有重要的意义。为此，我们提出采用先进的飞秒激光微加工技术、以金属或金属氧化物为基体在其表面构建微细结构，从而直接获得具有超疏水性的金属基微结构表面。
发明内容
本发明的目的是提供一种设计及制备具有超疏水性的金属基微结构表面的方法，它是根据材料的特点来设计制备条件，并采用氧化法或覆膜法由飞秒激光于真空环境下制备出金属基微结构表面，以在不经任何表面处理的情况下一次性实现表面超疏水性。
本发明提出的氧化法和覆膜法分别按照如下的技术方案来实现：
1、氧化法
(1)样品准备：将金属材料样品表面进行磨平抛光处理，对抛光后的样品表面进行清洗。
(2)激光微结构加工：将准备好的样品置于真空靶室中，开启飞秒激光器，调节好相关的工艺参数后开始进行微结构加工。在微加工过程中或微加工完成时对微结构表面进行氧化处理。
(3)表面清理：取出已加工好的样品，对其表面进行清理，必要时可再进行一次清洗，以去除加工飞沫及其他杂质。
2、覆膜法
(1)样品准备：将金属材料样品表面进行磨平抛光处理，在抛光后的样品表面镀一层金属氧化物膜。
(2)激光微结构加工：将准备好的样品置于真空靶室中，开启飞秒激光器，调节好相关的工艺参数后开始进行微结构加工。
(3)表面清理：取出已加工好的样品，对其表面进行适当清理以去除加工飞沫。
技术方案中，采用氧化法时对样品表面的清洗方法是：将样品在去离子水中超声清洗30分钟→用去离子水冲洗样品表面以去除表面杂质→分别用丙酮和无水乙醇清洗样品表面以去除表面有机物质→用去离子水冲洗样品表面去除表面残留清洗液→将样品表面用冷风吹干。
氧化法中对微结构表面进行氧化处理的方法主要有两种：一种是在微加工过程中往一定真空度的真空靶室中充入氧化性的气体，并控制在一定的气压，使得样品表面在微结构加工的同时发生氧化，可极大提高制备的金属基微结构表面的超疏水性；另一种是微加工完成时立即使真空靶室内恢复大气环境，并控制真空靶室内的温度，使样品表面在加热条件下于空气中氧化，也可一定程度上提高制备的金属基微结构表面的超疏水性。
激光微结构加工采用可提供波长800nm、平均功率2.5W、重复频率1KHz、脉冲宽度130fs的飞秒激光输出的飞秒激光器，其能量通过激光控制器可在0～2.5mJ范围内连续精确调节，能量的测量由能量探头来实现。激光束经滤波片后进入振镜系统被聚焦(最小光斑直径为50μm，通过改变样品与振镜的距离来调节)，振镜系统最大扫描范围为6×6inch，最小扫描速度为1mm/s。激光的通断及振镜系统的扫描范围和速度均由计算机程序进行控制和设定，此外通过计算机遍程还可实现微结构线扫描和面扫描。聚焦后的激光束经过石英玻璃窗进入真空靶室，直接作用于样品台上的样品表面，真空靶室内的真空度及加热温度由真空靶室控制箱来控制(真空度可达1×10-5Pa，温度最大为800℃)，氧化性气体的充入由气瓶及其上的减压阀来控制实现。
微结构加工完成后对表面进行清理的方法是通过吹冷风(如采用吹耳球)吹去微结构加工时产生的飞溅碎沫。
本发明具有以下优点：
操作简单、制备效率高。采用表面氧化处理或镀膜的方法由激光微结构一次性加工即可实现金属基超疏水表面的制备，工艺简单，加工快捷。
具有可控性。激光能量、光斑直径、扫描速度等工艺参数独立可控，而且通过计算机程序控制实现激光线扫描和面扫描来获得不同的微结构形貌。
附图说明
图1氧化法制备金属基超疏水性微结构表面的流程示意图
图2覆膜法制备金属基超疏水性微结构表面的流程示意图
图3飞秒激光微结构加工系统示意图
图4氧化法激光线扫描和面扫描制备的钛基超疏水性微结构表面SEM图
图5覆膜法激光线扫描和面扫描制备的钛基超疏水性微结构表面SEM图
1飞秒激光器，2激光束，3功率探头，4滤波片，5振镜系统，6石英玻璃窗，7真空靶室，8样品台，9样品，10真空靶室控制箱及气瓶，11计算机程序，12激光控制器
具体实施方式
图1为氧化法制备金属基超疏水性微结构表面的流程示意图。首先将金属材料样品表面进行磨平抛光；然后对抛光表面进行清洗以去除表面杂质；接着进行飞秒激光微结构加工，加工的同时要控制相关的工艺参数，并且在加工的过程中或加工刚完成时对微结构表面进行氧化处理；最后进行微结构表面清理以去除加工飞沫及杂质。
图2为覆膜法制备金属基超疏水性微结构表面的流程示意图。首先将金属材料样品表面进行磨平抛光，然后在抛光后的样品表面镀一层金属氧化物膜；接着进行飞秒激光微结构加工，加工的同时控制相关工艺参数；最后进行微结构表面清理以去除加工飞沫。
图3为飞秒激光微结构加工系统示意图。飞秒激光器1输出的激光束2经滤波片4后进入振镜系统5被聚焦，经过聚焦后的激光束1经过透光性强的石英玻璃窗6进入真空靶室7，直接作用于样品台8上的样品9表面。其中激光能量在加工前由放置在滤波片4前的能量探头3测量，能量的大小由激光控制器12控制；激光的通断、振镜系统5的扫描范围和速度、线扫描和面扫描路径均由计算机程序11进行控制和设定；真空靶室7内的真空度和加热温度及氧化性气体的充入和气压控制分别由真空靶室控制箱及气瓶10来调节和控制。
下面以金属钛为例分别简要说明采用本发明提出的氧化法和覆膜法制备金属基超疏水微结构表面的关键参数控制及微加工结果(真空度均为3.5×10-3Pa)：
图4为采用氧化法进行飞秒激光微结构加工制备的钛基超疏水表面SEM图。图(a)为线扫描结果，选取的激光能量为200μJ，光斑直径为150μm，扫描速度为1mm/s，气压为0.035MPa，由图可见，微结构呈平行条纹状，其规则性略差，条纹的间距较小，条纹状突起的尺度大约为300～800nm；图(b)为面扫描结果，选取的激光能量为300μJ，光斑直径为100μm，扫描速度为1mm/s，气压为0.035MPa，由图可见，微结构呈密集钝锥状，比较规则，小锥状突起的尺度大约为5～10μm。
图5为采用覆膜法进行飞秒激光微结构加工制备的钛基超疏水表面SEM图。图(a)为线扫描结果，选取的激光能量为100μJ，光斑直径为150μm，扫描速度为5mm/s，由图可见，微结构呈平行脊状，其排列比较稀疏，脊状突起的尺度大约为200～500nm；图(b)为面扫描结果，选取的激光能量为70μJ，光斑直径为100μm，扫描速度为5mm/s，由图可见，微结构突起呈颗粒状，比较密集，颗粒状突起的尺度大约为1～5μm。
本发明所提出的实施例只对技术方案进行说明，而不进行限制。

Claims (2)

1.金属基超疏水性微结构表面的激光制备方法，其特征是采用氧化法为：
(1)样品准备：将金属材料样品表面进行磨平抛光处理，对抛光后的样品表面进行清洗；
(2)激光微结构加工：将准备好的样品置于真空靶室中，开启飞秒激光器，调节好相关的工艺参数后开始进行微结构加工；
(3)表面清理：取出已加工好的样品，对其表面进行清理；
其中采用氧化法时对样品表面的清洗方法是：将样品在去离子水中超声清洗30分钟→用去离子水冲洗样品表面以去除表面杂质→分别用丙酮和无水乙醇清洗样品表面以去除表面有机物质→用去离子水冲洗样品表面去除表面残留清洗液→将样品表面用冷风吹干；
氧化法中对微结构表面进行氧化处理的方法主要有两种：一种是在微加工过程中往一定真空度的真空靶室中充入氧化性的气体，并控制在一定的气压，使得样品表面在微结构加工的同时发生氧化；另一种是微加工完成时立即使真空靶室内恢复大气环境，并控制真空靶室内的温度，使样品表面在加热条件下于空气中氧化；
激光微结构加工采用提供波长800nm、平均功率2.5W、重复频率1KHz、脉冲宽度130fs的飞秒激光输出的飞秒激光器，激光束经滤波片后进入振镜系统被聚焦，振镜系统最大扫描范围为6×6inch，最小扫描速度为1mm/s；激光的通断及振镜系统的扫描范围和速度均由计算机程序进行控制和设定，此外通过计算机遍程还实现微结构线扫描和面扫描。聚焦后的激光束经过石英玻璃窗进入真空靶室，直接作用于样品台上的样品表面，真空靶室内的真空度及加热温度由真空靶室控制箱来控制真空度可达1×10-5Pa，温度最大为800℃，氧化性气体的充入由气瓶及其上的减压阀来控制实现。
2.根据权利要求1所述的金属基超疏水性微结构表面的激光制备方法，其特征是采用覆膜法为：
(1)样品准备：将金属材料样品表面进行磨平抛光处理，在抛光后的样品表面镀一层金属氧化物膜；
(2)激光微结构加工：将准备好的样品置于真空靶室中，开启飞秒激光器，调节好相关的工艺参数后开始进行微结构加工；
(3)表面清理：取出已加工好的样品，对其表面进行清理以去除加工飞沫。
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