CN107999976A - 一种具有耐磨性及疏水性的金属表面微结构制备方法 - Google Patents

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王健超
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Abstract

本发明公开了一种具有耐磨性及疏水性的金属表面微结构制备方法，包括：步骤1：将待处理不锈钢进行超声波清洗，去除表面污染物，干燥，得到洁净的不锈钢表面；步骤2：用作图软件作微结构二维设计图，将该图形文件导入皮秒激光加工系统振镜控制软件中；步骤3：采用皮秒激光加工系统按照步骤2导入的加工图形对步骤1得到的不锈钢表面进行激光扫描加工处理，制备具有特定形态微结构的不锈钢表面。其采用的皮秒脉冲激光具有典型的超短脉宽、超高峰值功率特性，可以避免长脉冲激光加工易引起的热效应等缺陷，且相比飞秒激光，加工成本低、加工效率高，制得的不锈钢微结构表面摩擦系数显著降低，耐磨性提高，对水的接触角显著增大，疏水性提高。

Description

一种具有耐磨性及疏水性的金属表面微结构制备方法
技术领域
本发明属于金属基微结构功能表面制备及激光微加工技术领域，具体涉及一种具有耐磨性及疏水性的金属表面微结构制备方法。
背景技术
激光直接表面织构技术被用于几乎所有类型的材料表面来改变材料表面性能，如润湿性、耐蚀性、耐磨性以及粘结性等，与传统表面处理方法相比，激光直接表面织构技术具有高精度、重复性好、低消耗、高效率、无工具磨损、不损伤材料本体等优点。现有技术中常用到的微秒-纳秒级脉冲激光刻蚀金属技术，在刻蚀时会引起热效应，进而造成等离子体被吸收、熔融颗粒堆积在表面以及形成热影响区等缺陷，进一步会导致加工精度受影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中激光刻蚀的缺陷，提供一种可以提高不锈钢表面的耐磨性和疏水性的金属表面微结构制备方法。
其所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实施。
一种具有耐磨性及疏水性的金属表面微结构制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将待处理不锈钢进行超声波清洗，去除表面污染物，干燥，得到洁净的不锈钢表面；
步骤2：用作图软件作微结构二维设计图，将该图形文件导入皮秒激光加工系统振镜控制软件中；设计三种不同的微结构造型，其中蜂窝型结构是由规则排练的正六边形组成，正六边形边长为140-160μm，优选150μm；条纹结构是由填充间距为9-11μm(优选10μm)的线条排列而成(因光斑直径约14-16μm，所以该条纹结构的重叠率约30％-35％，约4-6μm，优选5μm)；网格结构是由0°和90°方向线条正交，线条平行间距为40-60μm(优选50μm)。
步骤3：采用皮秒激光加工系统按照步骤2导入的加工图形对步骤1得到的不锈钢表面进行激光扫描加工处理，制备具有特定形态微结构的不锈钢表面；其中，皮秒激光加工系统中皮秒激光器脉冲宽度为8-12皮秒，激光波长为532nm，聚焦光斑直径为14-16μm。激光扫描加工处理的工艺参数为：激光功率为25-35W，激光频率为350-450kHz，加工速度为2000-3000mm/s，重复次数5-15次。
作为本技术方案的进一步改进，采用丙酮和无水乙醇对待处理不锈钢进行所述超声波清洗。所述表面污染物至少包括表面油污。
作为本技术方案的更进一步改进，所述超声波清洗的清洗温度为室温，清洗时间为10min-20min。
作为本发明的优选实施例之一，步骤3皮秒激光加工系统中皮秒激光器脉冲宽度为10皮秒，聚焦光斑直径为15μm；激光功率为27W，激光频率为400kHz，加工速度为2500mm/s，重复次数为10次。
采用上述技术方案的具有耐磨性及疏水性的金属表面微结构制备方法，具有如下有益效果：
1、采用皮秒脉冲激光具有典型的超短脉宽、超高峰值功率特性，可以避免长脉冲激光加工易引起的热效应等缺陷，且相比飞秒激光，其加工成本低、加工效率更高。
2、相比传统表面处理方式，如电化学沉积、化学腐蚀等，激光刻蚀操作简便、可根据材料表面情况调整加工参数，形成的表面微结构形态更加可控。
3、制得的不锈钢微结构表面，其摩擦系数显著降低，耐磨性提高，对水的接触角显著增大，疏水性提高。
并且，超短脉冲(皮秒-飞秒)激光由于超快时间尺度的光吸收，进行加工时其与材料作用的时间短于(或相当)电子-晶格加热时间(几个ps)，几乎可以消除热影响，在金属上的烧伤阈值比纳秒脉冲激光至少降低了一个数量级，应用于材料表面微结构加工可以将热扩散控制在纳米尺度范围。因此采用超短脉冲激光在材料表面进行微结构加工，会增强材料表面某种性能或增加某种功能，而不引起表面结构性能变化。即，皮秒激光既有典型的超短脉宽、超高峰值功率等特性，也具备飞秒激光所不具备的高加工效率。
附图说明
图1是本发明实施例中激光表面微结构造型示意图(激光扫描图案)；其中，图1a为正六边形结构，图1b为网格结构，图1c为条纹结构及其局部放大示意；
图2是本发明实施例中激光微结构表面形貌图；其中，图2a为正六边形结构，图2b为网格结构，图2c为条纹结构；
图3是本发明实施例中制备的不锈钢微结构表面的摩擦系数测量结果(表面摩擦系数变化曲线)；其中图3a、图3b、图3c和图3d分别示意了未处理表面、网格结构表面、蜂窝结构表面和条纹结构表面的摩擦系数测量结果；
图4是本发明实施例中制备的不锈钢微结构表面的接触角测量结果；其中，图4a为未处理，表面接触角为81.7°；图4b为网格结构，表面接触角为111.4°；图4c为蜂窝结构，表面接触角为121.8°；图4d为条纹结构，表面接触角为116.6°。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
本发明提供了一种不锈钢耐磨及疏水性微结构表面的制备方法，是一种具有耐磨性、疏水性的金属表面微结构制备方法，包括如下步骤：
(1)将不锈钢片用丙酮和无水乙醇进行超声波清洗，清洗温度为室温，清洗时间10min-20min，吹干，得到洁净的不锈钢表面；
(2)用作图软件作微结构二维设计图，将制作的三种微结构(蜂窝结构、网格结构、条纹结构)二维设计图的图形文件导入皮秒激光加工系统振镜控制软件中；
(3)采用波长为532nm的皮秒激光加工系统对按照导入的加工图形分别对不锈钢表面进行激光扫描加工处理，制备具有特定形态微结构的不锈钢表面，聚焦光斑直径为15μm，激光功率为27W，激光频率为400kHz，加工速度为2500mm/s，重复次数10次。
如图1所示，激光扫描图案采用三种不同的微结构造型，其中蜂窝型结构是由规则排练的正六边形组成，正六边形边长为150μm；条纹结构是由填充间距为10μm的线条排列而成(因光斑直径约15μm，所以该条纹结构的重叠率约33.3％，约5μm)；网格结构是由0°和90°方向线条正交，线条平行间距为50μm。
如图2所示，为经激光加工形成的三种微结构表面形貌图。
如图3所示，利用摩擦磨损试验机测得的未加工表面和三种微结构表面摩擦系数变化曲线。测试参数为：载荷20g，运行速度150rpm，往复长度5mm，采样频率1Hz，测试时间10min。本实施例中的未处理不锈钢表面平均摩擦系数为0.835，网格结构表面平均摩擦系数为0.216，蜂窝结构表面平均摩擦系数为0.103，条纹结构表面平均摩擦系数为0.099，相比未处理表面，本实施案例中所有经激光加工处理表面摩擦系数均显著降低。
如图4所示，利用接触角测量仪测得的未加工表面和三种微结构表面水滴静态接触角。测试参数为：液滴体积2μL，测试温度25℃。本实施例中的未处理不锈钢表面接触角为81.7°，网格结构表面接触角为111.4°，蜂窝结构表面接触角为121.8°，条纹结构表面接触角为116.6°，相比未处理表面，本实施案例中所有经激光加工处理表面接触角均显著增大，表面润湿性由亲水性向疏水性改变。
本发明采用的皮秒脉冲激光具有典型的超短脉宽、超高峰值功率特性，可以避免长脉冲激光加工易引起的热效应等缺陷，且相比飞秒激光，其加工成本低、加工效率更高，制得的不锈钢微结构表面，其摩擦系数显著降低，耐磨性提高，对水的接触角显著增大，疏水性提高。

Claims (10)

1.一种具有耐磨性及疏水性的金属表面微结构制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将待处理不锈钢进行超声波清洗，去除表面污染物，干燥，得到洁净的不锈钢表面；
步骤2：用作图软件作微结构二维设计图，将该微结构二维设计图的图形文件导入皮秒激光加工系统振镜控制软件中；所述微结构二维设计图的微结构造型为蜂窝形结构、条纹结构或网格结构；
步骤3：采用皮秒激光加工系统按照步骤2导入的图形文件中的微结构造型作为加工图形对步骤1得到的不锈钢表面进行激光扫描加工处理，制备具有特定形态微结构的不锈钢表面；其中，皮秒激光加工系统中皮秒激光器脉冲宽度为8-12皮秒，激光波长为532nm，聚焦光斑直径为14-16μm；激光扫描加工处理的工艺参数为：激光功率为25-35W，激光频率为350-450kHz，加工速度为2000-3000mm/s，重复次数5-15次。
2.根据权利要求1所述具有耐磨性及疏水性的金属表面微结构制备方法，其特征在于，所述蜂窝型结构由规则排列的正六边形组成，所述正六边形的边长为140-160μm。
3.根据权利要求2所述具有耐磨性及疏水性的金属表面微结构制备方法，其特征在于，所述正六边形的边长为150μm。
4.根据权利要求1所述具有耐磨性及疏水性的金属表面微结构制备方法，其特征在于，所述条纹结构由填充间距为9-11μm的线条排列而成，该条纹结构相邻两条条纹重叠4-6μm、重叠率为30％-35％。
5.根据权利要求4所述具有耐磨性及疏水性的金属表面微结构制备方法，其特征在于，所述条纹结构由填充间距为10μm的线条排列而成，该条纹结构相邻两条条纹重叠5μm。
6.根据权利要求1所述具有耐磨性及疏水性的金属表面微结构制备方法，其特征在于，所述网格结构由0°和90°方向线条正交，线条平行间距为40-60μm。
7.根据权利要求6所述具有耐磨性及疏水性的金属表面微结构制备方法，其特征在于，所述线条平行间距为50μm。
8.根据权利要求1所述具有耐磨性及疏水性的金属表面微结构制备方法，其特征在于，采用丙酮和无水乙醇对待处理不锈钢进行所述超声波清洗；所述表面污染物至少包括表面油污。
9.根据权利要求1或8所述具有耐磨性及疏水性的金属表面微结构制备方法，其特征在于，所述超声波清洗的清洗温度为室温，清洗时间为10-20min。
10.根据权利要求1所述具有耐磨性及疏水性的金属表面微结构制备方法，其特征在于，步骤3皮秒激光加工系统中皮秒激光器脉冲宽度为10皮秒，聚焦光斑直径为15μm；激光功率为27W，激光频率为400kHz，加工速度为2500mm/s，重复次数为10次。
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