CN101531335A - 飞秒激光制备金属表面超疏水微结构的方法 - Google Patents

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张东石
杨青
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Abstract

本发明公开了一种飞秒激光制备金属表面超疏水微结构的方法，该方法利用飞秒激光辐射场在金属靶材表面上制备超疏水周期性微/纳米结构。金属表面周期性微/纳米结构制备时先将金属靶材固定在二维精密位移台上，然后将一束飞秒激光经物镜或透镜聚焦，并使之作用于金属靶材上，通过飞秒激光诱导结合二维精密位移台移动，产生微/纳米周期性微结构。本发明具有制备效率高，适用范围广，装置可操控性强，处理得到的周期性金属纳米结构排列整齐、均匀，并可以制备出不同尺寸和图案微/纳米周期性结构。

Description

飞秒激光制备金属表面超疏水微结构的方法
技术领域
本发明属于微/纳米材料制备和飞秒激光微加工技术领域，特别涉及飞秒激光制备金属表面超疏水微/纳米周期微结构的方法。
背景技术
当水在固体水平表面上时，水滴会自然铺展或者铺展到一定的角度而达到平衡，这个平衡角度是由固-液、液-气、固-气界面张力之间的平衡决定的，通常称之为平衡接触角(θ)。θ的大小通常可以衡量该固体表面的浸润性。当θ<90°时，称之为亲水表面；当θ>90°时，称之为疏水表面；当θ>150°时，为超疏水表面。固体表面的这种浸润性是固体表面的重要性质之一，它是由表面的化学成分和微观几何结构共同决定的。
由于超疏水表面与水滴的接触面积非常小，且水滴极易从表面滚落，因此，超疏水表面不仅具有自清洁功能，而且还具有放电流传导、防腐蚀、防水、防雾、防霉、防雪、防霜冻、防黏附、防污染等功能，因此在建筑、服装纺织、液体输送、生物医学、日用品与包装、交通运输工具以及微量分析等领域具有广泛的应用前景。此外，在卫星天线、雷达的保洁表面，潜艇水体的减阻材料，以及石油化工领域内管壁修饰等具有非常高的应用价值。在制冷领域也有着广泛的应用前景，可以应用于研究空调的冷凝水问题、空调的结霜问题、系统的传热和换热问题、延长压缩机的使用寿命等，从而进一步降低制冷系统的能耗。
制备超疏水表面可以从两个方面入手：一方面是在低表面能的疏水材料表面上构建微/纳米级粗糙结构；另一方面是用低表面能物质在微/纳米级粗糙结构上进行修饰处理。然而，在光滑表面上仅通过改变表面能，通常只能使接触角最大增加到120°，而具有微细粗糙结构的表面的接触角则可超过150°。所以现在人们研究的重点多集中在如何在表面构造合适的微/纳米级粗糙结构上。
目前，有很多种制备粗糙表面的方法，例如：溶胶凝胶法，气相沉积法，电化学方法，纳米管阵列法，及其他方法。但是，这些方法大都需要特殊的设备，或是需要复杂的制造工艺，且制备出微/纳米结构的均匀性较差、周期难以调控、制备时间长、成本高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种飞秒激光制备金属表面超疏水微结构的方法，可在金属材料表面通过飞秒激光诱导作用制备出接触角从150°-175°的超疏水表面。该方法操作过程简单，原材料消耗少，成本低廉，制备效率高，制备出的金属微/纳米微结构均匀性好，装置可操控性强，适用范围广，可用于大规模的表面制备，并可以制备出不同尺寸和图案结构的超疏水表面。
本发明的技术解决方案是：
本发明将一束飞秒激光经物镜或透镜聚焦辐照在金属靶材上，产生周期性微/纳米微结构，具体步骤如下：
选用脉冲宽度为20-300fs、波长325-1200nm的超短脉冲激光，经一物镜或透镜聚焦到放置在二维精密位移台的金属靶材上，超短脉冲激光单脉冲能量10μJ-5mJ、脉冲频率10Hz-100kHz和脉冲宽度20-300fs，即在金属靶材上呈现出周期性微/纳米微结构。
所说的金属靶材为铜、铝、钢、铝合金、氧化铜、锌、氧化钨或钛材料。
所说的金属靶材厚度为500μm-10cm。
所说的周期性微/纳米微结构周期为50nm-50μm。
本发明的优点在于：
(1)本发明利用飞秒激光脉冲直接诱导微/纳米微结构，工艺简单、原材料消耗少，成本低廉，制备效率高，制备出的金属微/纳米微结构超疏水表面均匀性好，装置可操控性强，适用范围广。
(2)本发明利用计算机精密控制二维位移台移动金属材料，并利用飞秒激光经物镜或透镜聚焦在靶材表面进行处理，可实现大面积金属微/纳米微结构超疏水表面的制备。
(3)本发明可诱导产生周期为50nm-50μm，接触角为150°-175°不同尺度和图案金属微/纳米微结构超疏水表面，可以满足在工农业生产和人们的日常生活中的应用。
附图说明
图1为本发明800nm飞秒激光在金属靶材上制备周期性微/纳米微结构的方法的示意图。
图2为本发明400nm飞秒激光在金属靶材上制备周期性微/纳米微结构的方法的示意图。
图3为本发明325nm飞秒激光在金属靶材上制备周期性微/纳米微结构的方法的示意图。
图4(a)和(b)为实施实例1中脉冲宽度30fs的飞秒激光诱导不锈钢靶材制备的大面积的周期为230nm微结构超疏水表面。
下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
具体实施方式
该装置由激光加载系统和靶材装夹系统依次连接构成，激光加载系统由飞秒激光器和光开关、反射镜和物镜或透镜组成，由飞秒激光器输出的飞秒激光束经过光开关、反射镜和物镜或透镜聚焦到靶材装夹系统。
在光开关、反射镜之间依次设置倍频晶体、滤光片。
在飞秒激光器和光开关之间设置光学参量放大器。
参照图1所示，由飞秒激光器1发出的飞秒激光，脉冲宽度为30fs，波长为800nm，脉冲频率为1kHz，脉冲能量为1mJ的激光束，通过光开关2、反射镜3，和5X(N.A＝0.15)聚焦物镜4将光束聚焦在金属靶材5上，金属靶材5固定在二维精密位移台6上，金属靶材的运动由计算机7控制二维精密位移台6完成。飞秒激光聚焦光斑直径约为5μm。这样在激光辐照区通过飞秒激光的光诱导作用逐步形成了周期微/纳米结构。
参照图2所示，由飞秒激光器1发出的飞秒激光，脉冲宽度为30fs，波长为800nm，脉冲频率为1kHz，脉冲能量为1mJ的激光束，通过光开关2、倍频晶体8后转换为脉冲宽度为50fs，波长为400nm，脉冲频率为1kHz，脉冲能量为300μJ的400nm的飞秒激光，再通过滤光片9、反射镜3，和20X(N.A＝0.45)聚焦物镜4将400nm飞秒激光光束聚焦在金属靶材5上，金属靶材固定在二维精密位移台6上，金属靶材的运动由计算机7控制二维精密位移台完成。飞秒激光聚焦光斑直径约为1μm。这样在激光辐照区逐步形成了周期微/纳米结构。
参照图3所示，由飞秒激光器1发出的飞秒激光，脉冲宽度为30fs，波长为800nm，脉冲频率为1kHz，脉冲能量为1mJ的激光束，通过光学参量放大器10后转换为脉冲宽度为30fs，波长为325nm，脉冲频率为1kHz，脉冲能量为100μJ的325nm的飞秒激光，通过光开关2、反射镜3，和(f＝5mm)聚焦透镜11将光束聚焦在金属靶材5上，金属靶材的运动由计算机7控制二维精密位移台6完成。飞秒激光聚焦光斑直径约为20μm。这样在激光辐照区逐步形成了周期微/纳米结构。
图4(a)给出实例1中利用扫描电镜(5000x/20kV)观测到的飞秒激光诱导不锈钢表面生成的大面积微/纳米周期微结构。图4(b)是图4(a)的局部放大图像，从图中可以看出微/纳米为结构的周期为230nm。
实施例1：
钛宝石飞秒激光器发出的飞秒激光，脉冲宽度为30fs，波长为800nm，脉冲频率为1kHz，脉冲能量为1mJ的激光束，通过5X(N.A＝0.15)聚焦物镜将光束聚集在不锈钢靶材上，样品由计算机7操控的二维移动平台控制，聚焦光斑直径约为100μm。这样在激光辐照区域逐渐形成周期微/纳米结构。用扫描电镜(5000x/20kV)聚焦到不锈钢样品的激光诱导区，观察到金属微/纳米微结构阵列如图4所示，周期约为230nm。
实施例2：
选用脉冲宽度为50fs，波长为400nm，脉冲频率为1kHz，脉冲能量为100μJ的激光束，通过20X(N.A＝0.45)聚焦物镜将光束聚集在铜靶材上，样品由计算机操控的二维移动平台控制，聚焦光斑直径约为1μm。这样在激光辐照区域逐渐形成周期微/纳米结构。
实施例3：
选用脉冲宽度为40fs，波长为325nm，脉冲频率为1kHz，脉冲能量为100μJ的激光束，通过(f＝5mm)聚焦透镜将光束聚集在铝靶材上，样品由计算机操控的二维移动平台控制，聚焦光斑直径约为20μm。这样在激光辐照区域逐渐形成周期微/纳米结构。
实施例4：
选用脉冲宽度为120fs，波长为500nm，脉冲频率为10kHz，脉冲能量为200μJ的激光束，通过50X(N.A＝0.5)聚焦物镜将光束聚集在铝合金靶材上，样品由计算机操控的二维移动平台控制，聚焦光斑直径约为1μm。这样在激光辐照区域逐渐形成周期微/纳米结构。

Claims (4)

1、一种飞秒激光制备金属表面超疏水微结构的方法，其特征在于，将一束飞秒激光经物镜或透镜聚焦辐照在金属靶材上，产生周期性微/纳米微结构，具体步骤如下：
选用脉冲宽度为20-300fs、波长325-1200nm的超短脉冲激光，经一物镜或透镜聚焦到放置在二维精密位移台的金属靶材上，超短脉冲激光单脉冲能量10μJ-5mJ、脉冲频率10Hz-100kHz，即在金属靶材上呈现出周期性微/纳米微结构。
2、根据权利要求1所述的飞秒激光制备金属表面超疏水微结构的方法，其特征在于，所说的金属靶材为铜、铝、钢、铝合金、氧化铜、锌、氧化钨或钛材料。
3、根据权利要求1所述的飞秒激光制备金属表面超疏水微结构的方法，其特征在于，所说的金属靶材厚度为500μm-10cm。
4、根据权利要求1所述的飞秒激光制备金属表面超疏水微结构的方法，其特征在于，所说的周期性微/纳米微结构周期为50nm-50μm。
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