CN104308369B

CN104308369B - 一种铜基底上彩虹色超疏水仿生表面的制备方法

Info

Publication number: CN104308369B
Application number: CN201410593095.2A
Authority: CN
Inventors: 刘燕; 李淑; 李淑一; 张开腾; 姚文广; 韩志武; 任露泉
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2014-10-28
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2034-10-28
Also published as: CN104308369A

Abstract

本发明公开了一种铜基底上彩虹色超疏水仿生表面的制备方法，该方法首先以无水乙醇清洗铜基底，再使用飞秒激光加工方法在铜基底上进行制备，并改变加工参数使铜基底表面的形貌特征发生变化，制备出具有周期性的典型激光诱导的微纳米尺度双层分级结构；飞秒激光加工方法的激光能量强度变化范围为100‑800mW，扫描速度控制在0.25‑2mm/s之间，而扫描间隔则为25‑150μm，加工之后，表面呈现多彩结构色，兼具疏水特性，并且在不同加工参数下呈现不同的结果。本发明在铜基底上形成超疏水仿生表面具有微纳米尺度双层分级结构，其表面呈现多彩结构色，且疏水性能得到极大的改善。在使用工况下，疏水性能明显增强，并且表面可进行结构色转换。

Description

一种铜基底上彩虹色超疏水仿生表面的制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料表面改性技术，特别是涉及一种铜基底上彩虹色超疏水仿生表面的制备方法。

背景技术

经过亿万年的演变和进化，自然界中的每种生物均具有其独特的性能。其中较为典型的有：自清洁的荷叶、高粘附性的玫瑰花瓣、防雾的蚊子复眼、各向异性的水稻叶、彩色的蝴蝶翅膀以及储水的甲壳虫等等。由于这些迷人生物的独特性能，其表面微观结构及成分也吸引了众多科学家的注意力。因而，在进行工程材料设计和制造时，这些生物的表面微观结构常被作为生物原型来使用。

如今，在基础研究及实际应用当中，金属材料彩虹色超疏水表面的制备已经成为一个热门话题。但是，在金属基底上制备大面积的均匀、排列良好的周期性结构，同时获得彩色图案和疏水特性，仍旧是一个难题。目前，获得的大部分疏水表面往往不具有彩虹色，而同时具有结构色和疏水性表面的获得通常是在半导体材料、聚合物材料等基底上，而金属基底性能稳定，形成具有周期性光子晶体效应的表面受到极大的制约。飞秒激光加工技术是一种制备周期性微纳米结构的有效手段，方便、快速、易实现，可以广泛地应用于微纳米光栅刻蚀、光子晶体制备、波导以及微电子器件的生产等领域，并实现对金属着色的研究取得了快速发展。在特定条件下使用飞秒脉冲激光扫描处理金属表面，改变微结构形成特定颜色，从而为扩展金属用途奠定了基础，而且也将是一个非常有前景的技术研究。

铜材具有较好的导电率、热传递性能和机械加工性等，在工业生产及日常生活中具有极为广泛的应用，譬如热交换器、电力线路、管道等。通过表面微结构的改变，铜表面性能得到改善，同时实现良好的疏水特性以及金属着色，这是一种新的尝试，对表面处理技术的发展意义重大。

发明内容

本发明的目的在于改善基底材料表面的结构色，提高其疏水性，提供一种铜基底上彩虹色超疏水仿生表面的制备方法。

本发明是仿照荷叶、水稻叶和蝴蝶翅膀等动植物表面微观结构的特征，采用飞秒激光加工技术，在铜基板上制备具有微纳米尺度分级结构的仿生表面，改善了表面性能，使其具有较好的疏水性能以及多彩结构色，以期得到更广泛的应用。

本发明的步骤如下：

(一)、前处理工艺：首先以无水乙醇清洗铜基底；

(二)、飞秒激光加工：使用飞秒激光加工方法在铜基底上进行制备，并改变加工参数使铜基底表面的形貌特征发生变化，制备出具有周期性的典型激光诱导的微纳米尺度双层分级结构；飞秒激光加工方法的激光能量强度变化范围为100-800mW，扫描速度控制在0.25-2mm/s之间，而扫描间隔则为25-150μm，加工之后，表面呈现多彩结构色，兼具疏水特性，并且在不同加工参数下呈现不同的结果。

所说的飞秒激光加工方法的加工参数为：激光能量强度选取100mW、200mW、300mW、400mW、500mW、600mW、700mW或800mW；扫描速度选取0.25mm/s、0.5mm/s、1mm/s、1.5mm/s或2mm/s；扫描间隔选取25μm、50μm、100μm或150μm；不同的实验参数，将会影响表面的形貌特征，造成不同的实验结果。

所说的周期性的典型激光诱导的微纳米尺度双层分级结构的形成，其主要是由于飞秒激光与铜基底相互作用时会产生很强的非线性效应，从而将激光能量迅速沉积到靶材的激光焦斑，超快的烧蚀过程导致其基本不对激光焦斑周围的靶材造成损伤，仅仅在铜基底上形成不同的典型激光诱导的微纳米尺度双层分级结构。

所说的铜基底上彩虹色超疏水仿生表面的制备方法，其特征在于所说的典型生物主要是蝴蝶翅膀和水稻叶等动植物，其表面微纳米分级结构使其具有多彩结构色及疏水特性。

本发明的有益效果：本发明在铜基底上形成超疏水仿生表面具有微纳米尺度双层分级结构，其表面呈现多彩结构色，且疏水性能得到极大的改善。在使用工况下，疏水性能明显增强，并且表面可进行结构色转换。

附图说明

图1为扫描速度为1mm/s，激光能量强度为500mW，不同扫描间隔下所制得表面的SEM图像。(a,a’)25μm；(b,b’)50μm；(c,c’)100μm；(d,d’)150μm。

图2为扫描间隔为50μm，激光能量强度为500mW，不同扫描速度下所制得表面的SEM图像。(a,a’)0.25mm/s；(b,b’)0.5mm/s；(c,c’)1mm/s；(d,d’)1.5mm/s；(e,e’)2mm/s。

图3为扫描速度为1mm/s，扫描间隔为50μm，不同激光能量强度下所制得表面的SEM图像，插图为相应的激光共聚焦图像。(a)100mW；(b)200mW；(c)300mW；(d)400mW；(e)500mW；(f)600mW；(g)700mW；(h)800mW。

图4为扫描速度为1mm/s时，不同激光能量强度和扫描间距所制备表面的反射光谱。(1-4)100mW,扫描间距分别为25μm,50μm,100μm,150μm。(5-8)300mW,扫描间距分别为25μm,50μm,100μm,150μm。(9-12)500mW,扫描间距分别为25μm,50μm,100μm,150μm。

图5为扫描速度为1mm/s，扫描间隔为50μm，不同激光能量强度下所制备表面的反射光谱。(1)100mW；(2)200mW；(3)300mW；(4)400mW；(5)500mW；(6)600mW；(7)700mW；(8)800mW。

图6为扫描速度为1mm/s，不同激光能量强度下制备表面的各向异性润湿性曲线图。

具体实施方式

本发明所述的一种铜基底上彩虹色超疏水仿生表面的制备方法，首先，进行铜基底仿生表面的设计：

以天然生物材料为设计模型，在铜基底上设计具有天然生物复合材料微细结构分布的结构特征的表面。

以铜基底进行彩虹色超疏水仿生表面的设计：

因铜具有较高的导电率，导热性能，以及良好的机械加工性等优异性能，从而作为重要的结构材料广泛出现在日常生活中。但是由于自身特性的影响(疏水性质、结构色等)，其应用范围受到了一定的制约，通过此发明技术，铜表面可具有多彩结构色和各向异性的疏水特性。

铜基底上彩虹色超疏水仿生表面的制备：以铜为基体，使用飞秒激光加工方法进行表面处理，将预处理后的铜试样在不同的实验条件下进行表面加工，参数变化为：激光能量强度选取100mW,200mW,300mW,400mW,500mW,600mW,700mW,800mW；扫描速度选取0.25mm/s，0.5mm/s；1mm/s，1.5mm/s，2mm/s；扫描间隔选取25μm,50μm,100μm,150μm。加工之后，表面制备出具有周期性典型激光诱导的微纳米尺度双层分级结构，呈现多彩结构色，兼具各向异性的疏水效果。

所说的飞秒激光技术的加工参数为：激光能量强度选取100mW,200mW,300mW,400mW,500mW,600mW,700mW,800mW；扫描速度选取0.25mm/s，0.5mm/s；1mm/s，1.5mm/s，2mm/s；扫描间隔选取25μm,50μm,100μm,150μm。不同的实验参数，将会影响表面的形貌特征，造成不同的实验结果。

所说的周期性的典型激光诱导的微纳米尺度双层分级结构，是由于飞秒激光与铜基底相互作用时会产生很强的非线性效应，从而将激光能量迅速沉积到靶材的激光焦斑，在铜基底上形成不同的典型激光诱导的微纳米尺度双层分级结构。

所说的典型生物主要是蝴蝶翅膀、贝壳等动物，其表面微纳米分级结构使其具有多彩结构色及疏水特性。

本发明之方法的步骤如下：

(一)、对铜试样进行预处理：将打磨好的铜试样放置于无水乙醇中进行超声波清洗10min，除去试样表面杂物。

(二)、将预处理后的铜试样使用飞秒激光加工方法在不同的条件下进行表面加工，飞秒激光加工方法的加工参数为：激光能量强度为100-800mW，激光扫描速度为0.25-2mm/s之间，机构扫描间隔为25-150μm，加工之后，表面呈现多彩结构色，兼具疏水特性。

具体的参数变为：激光能量强度选取100mW、200mW、300mW、400mW、500mW、600mW、700mW或800mW；扫描速度选取0.25mm/s、0.5mm/s、1mm/s、1.5mm/s或2mm/s；扫描间隔选取25μm、50μm、100μm或150μm。飞秒激光加工之后，由于激光烧蚀作用，表面形成具有周期性的典型激光诱导的微纳米尺度双层分级结构，呈现多彩结构色，兼具各向异性的疏水效果。

如图1所示，为扫描速度为1mm/s，激光能量强度为500mW，不同扫描间隔下所制得表面的SEM图像。(a,a’)25μm；(b,b’)50μm；(c,c’)100μm；(d,d’)150μm.

如图2所示，为扫描间隔为50μm，激光能量强度为500mW，不同扫描速度下所制得表面的SEM图像。(a,a’)0.25mm/s；(b,b’)0.5mm/s；(c,c’)1mm/s；(d,d’)1.5mm/s；(e,e’)2mm/s.

如图3所示，为扫描速度为1mm/s，扫描间隔为50μm，不同激光能量强度下所制得表面的SEM图像，插图为相应的激光共聚焦图像。(a)100mW；(b)200mW；(c)300mW；(d)400mW；(e)500mW；(f)600mW；(g)700mW；(h)800mW.

如图4所示，为扫描速度为1mm/s时，不同激光能量强度和扫描间距所制备表面的反射光谱。(1-4)100mW,扫描间距分别为25μm,50μm,100μm,150μm。(5-8)300mW,扫描间距分别为25μm,50μm,100μm,150μm。(9-12)500mW,扫描间距分别为25μm,50μm,100μm,150μm。

如图5所示，为扫描速度为1mm/s，扫描间隔为50μm，不同激光能量强度下所制备表面的反射光谱。(a)100mW；(b)200mW；(c)300mW；(d)400mW；(e)500mW；(f)600mW；(g)700mW；(h)800mW。

如图6所示，为扫描速度为1mm/s，不同激光能量强度下制备表面的各向异性润湿性曲线。

Claims

1.一种铜基底上彩虹色超疏水仿生表面的制备方法，该方法的步骤是：

(一)、前处理工艺：首先以无水乙醇清洗铜基底；

(二)、飞秒激光加工：使用飞秒激光加工方法在铜基底上进行彩虹色超疏水仿生表面的制备，并改变加工参数使铜基底表面的形貌特征发生变化，制备出具有周期性的典型激光诱导的微纳米尺度双层分级结构；飞秒激光加工方法的加工参数为：激光能量强度选取100mW、200mW、300mW、400mW、500mW、600mW、700mW或800mW；扫描速度选取0.25mm/s、0.5mm/s、1mm/s、1.5mm/s或2mm/s；扫描间隔选取25μm、50μm、100μm或150μm，加工之后，表面呈现多彩结构色，兼具疏水特性；

所述的周期性的典型激光诱导的微纳米尺度双层分级结构的形成，是由于飞秒激光与铜基底相互作用时会产生很强的非线性效应，从而将激光能量迅速沉积到靶材的激光焦斑，超快的烧蚀过程导致其基本不对激光焦斑周围的靶材造成损伤，仅仅在作用部位形成不同的典型激光诱导的微纳米尺度双层分级结构。