CN108515269A - 一种利用皮秒激光直接制备不锈钢超疏水自清洁表面的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用皮秒激光直接制备不锈钢超疏水自清洁表面的方法，属于金属材料表面改性领域。该方法首先将不锈钢材料表面进行抛光、超声清洗并使用冷风吹干。然后利用皮秒激光表面加工技术，使用设定好的激光扫描工艺路径和激光加工参数对不锈钢表面进行加工。加工完成后，在不锈钢表面得到微纳米复合结构，包括网格状分布的柱状微结构以及柱状微结构表面分布的凸起状微结构与微米级或纳米级颗粒状结构。将激光加工后的样品放置在自然环境下，24小时后即表现出优异的超疏水性能和自清洁功能。超疏水自清洁表面的超疏水性能和自清洁功能可保持100天以上。本发明制备方法工艺简单，效率高，灵活可控，具有很好的可重复性，易于实现工业化应用。

Description

一种利用皮秒激光直接制备不锈钢超疏水自清洁表面的方法
技术领域
本发明涉及一种利用皮秒激光直接制备不锈钢超疏水自清洁表面的方法，属于金属材料表面改性技术领域。
研究背景
钢铁材料广泛应用于轨道交通、航空航天、机械制造和建筑等众多行业。随着工业发展，钢铁材料应用领域逐渐增多，应用环境越来越复杂苛刻，对其表面使用性能如防腐、防污、耐磨等提出更高要求。受荷叶效应启发，近年来人们对于超疏水自清洁表面制备进行了大量探索和研究。将超疏水表面技术应用到金属材料表面，可以使金属材料实现防水、防污、防腐蚀和抗结冰等特性，对提高金属材料使用性能具有重要意义。研究表明，超疏水性能与材料表面粗糙结构形貌特征和表面化学组分密切相关。钢铁材料表面活性高、表面能大，对通过物理或化学方法得到的粗糙表面结构一般都要经过低表面能材料再修饰才能够达到超疏水表面特性。专利CN201610615931.1公开的对使用微粒喷丸法处理得到的中碳钢微纳结构表面进行低能化表面处理获得表面超疏水特性。专利CN201610017219.1通过将低碳钢进行盐雾试验得到针片状粗糙表面结构，然后进行低能化表面处理得到超疏水性能。专利CN201510012667.8使用电腐蚀法在铁基材料表面首先构建微纳粗糙结构，然后经过低表面能修饰使表面获得超疏水性能。以上方法工艺较复杂且耗时比较长。
近年来出现的激光辅助超疏水表面加工技术逐渐被应用到金属材料表面。专利CN201510279954.5采用超快激光在不锈钢表面加工微结构，然后放入电热干燥箱进行烘烤得到表面具有纳米级颗粒状、片状或凸起状结构的超疏水、自清洁表面。专利CN201710262690.1使用脉冲激光在船体钢表面加工微结构，通过自然时效处理或保温处理得到船体钢超疏水、耐腐蚀表面。上述激光表面结构加工技术成熟，工艺简单，但都需经过后续处理才能够实现表面超疏水性能。
综上所述，开发一种工艺简单，制备效率高，重复性好，环保且适用于工业化应用的金属材料超疏水表面制造工艺方法，是目前科研工作者亟待解决的问题。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种利用皮秒激光直接制备不锈钢超疏水自清洁表面的方法，以解决上述背景技术中存在的缺点。本发明提供的方法可在不同尺寸和形状的不锈钢表面获得长期性能稳定、接触角大于160°、滚动角小于10°的超疏水表面，同时制得的表面表现出优异的自清洁功能。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种利用皮秒激光直接制备不锈钢超疏水自清洁表面的方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一，将待处理的不锈钢表面进行抛光预处理，得到表面抛光后的不锈钢样品；
步骤二，将步骤一中抛光后的不锈钢样品放入去离子水中进行超声清洗5～10min，将清洗后的不锈钢表面使用冷风吹干，得到表面洁净的不锈钢样品；
步骤三，将步骤二中得到的洁净的不锈钢样品固定在激光加工平台上，设定激光扫描工艺路径和激光器加工参数，采用皮秒激光加工系统对不锈钢表面进行扫描加工，得到微纳复合结构表面；
步骤四，将步骤三中得到的表面微纳结构化不锈钢样品放置在自然环境下24小时，即得到不锈钢微纳结构化表面优异的超疏水性能和自清洁功能；
步骤三所述的激光扫描为采用振镜系统进行光束扫描，扫描速度为0.1～1000mm/s，扫描次数为1～100次；
步骤三所述的激光扫描工艺路径为两组平行的直线扫描路径构成的方形网格状整体扫描路径，扫描间距为20～500μm；
步骤三所述的激光器加工参数包括：激光波长为100～1500nm，脉冲宽度为1～1000ps，激光重复频率为1kHz～1MHz；
步骤三所述的微纳复合结构包括网格状分布的柱状微结构以及柱状微结构表面分布的凸起状微结构与微米级或纳米级颗粒状结构；
步骤四所述的超疏水性能为接触角超过160°、滑移角小于10°，达到超疏水状态；
步骤四中所述的自清洁功能为不锈钢微纳结构表面对铅笔屑和土壤表现出优异的自清洁功能。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用激光微纳结构加工一步实现材料表面超疏水性能和自清洁功能，与使用化学方法和激光辅助加工方法相比，本发明方法工艺简单、技术成熟、加工效率高且绿色环保；
(2)本发明方法加工工艺不唯一，可在不同激光加工工艺条件下实现材料表面超疏水性能和自清洁功能；
(3)本发明方法安全可靠，具有高灵活性、高可控性以及很好的可重复性，可用于大面积和重复性加工，易于实现工业化应用。
附图说明
图1(a)、(b)为本发明实施例利用皮秒激光加工制备得到的不锈钢微纳结构表面扫描电镜图；
图2(a)、(b)分别为本发明实施例利用皮秒激光加工制备得到的不锈钢微纳结构表面的接触角和滑移角示意图；
图3(a)、(b)分别为本发明实施例利用皮秒激光加工制备得到的不锈钢微纳结构表面对铅笔屑和土壤表现出的自清洁功能示意图。
具体实施方式
为更好地理解本发明内容，以下结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细介绍，所举实例只用于解释本发明，并不用于限定本发明的范围。
一种利用皮秒激光直接制备不锈钢超疏水自清洁表面的方法，包括如下步骤：
步骤一，将待处理的不锈钢表面进行抛光预处理，得到表面抛光后的不锈钢样品；
步骤二，将步骤一中抛光后的不锈钢样品放入去离子水中进行超声清洗5min，将清洗后的不锈钢表面使用冷风吹干，得到表面洁净的不锈钢样品；
步骤三，将步骤二中得到的洁净的不锈钢样品固定在激光加工平台上，设定激光扫描路径和激光加工参数，采用皮秒激光加工系统对不锈钢表面进行扫描加工，得到微纳复合结构表面；
步骤四，将步骤三中得到的表面微纳结构化不锈钢样品放置在自然环境下24小时，即得到不锈钢微纳结构化表面优异的超疏水性能和自清洁功能。
利用光学接触角测量仪测试得到不锈钢表面的接触角和滚动角，由于制备得到的不锈钢表面超疏水性能优异，1～5μl体积的水滴无法在表面附着，因此选用6μl体积的水滴进行测试，测试温度为25℃。
利用铅笔屑和日常生活中的土壤测试得到的不锈钢表面自清洁功能：分别将铅笔屑和土壤平铺在不锈钢微纳结构表面，将待测试不锈钢样品水平放置，用吸管在样品上方逐滴滴落体积为10～60μl的水滴，水滴滴落在铺满铅笔屑或土壤的不锈钢样品表面并滚落，水滴滚落过程中将铺在不锈钢样品表面的铅笔屑或土壤带走，使不锈钢超疏水结构表面表现出优异的自清洁功能。
本实施例中，所述的不锈钢选用302不锈钢。
本实施例中，所述的激光扫描路径为两组平行的直线扫描路径构成的方形网格状整体扫描路径，扫描间距选用80μm，激光扫描后得到网格状分布的方形柱状微结构，其扫描电镜图片如图1(a)所示。
本实施例中，所述的激光器加工参数具体为：激光波长为1030nm，激光脉冲宽度为10ps，激光功率为2.5W，激光重复频率为50kHz，光束扫描速度为10mm/s，扫描次数为15次。
本实施例中，所述得到的微纳复合结构包括网格状分布的方形柱状微结构以及柱状微结构表面分布的凸起状微结构与微米级或纳米级颗粒状结构，其扫描电镜图片如图1(b)所示。
本实施例所得到的不锈钢超疏水表面与水的接触角为160.4°，滑移角为8.6°，如图2(a)和(b)所示。
本实施例所得到的不锈钢超疏水表面对铅笔屑和土壤的自清洁功能分别如图3(a)和(b)所示。
本发明的上述实施例仅仅是为了说明本发明所做的举例，并不用于限定本发明的实施方式。凡是在本发明精神和原则内，对本发明方法、步骤或条件所作的任何修改、改进等，均属于本发明的范围。

Claims (7)

1.一种利用皮秒激光直接制备不锈钢超疏水自清洁表面的加工方法，其特征在于：
步骤一，将待处理的不锈钢表面进行抛光预处理，得到表面抛光后的不锈钢样品；
步骤二，将步骤一所述抛光后的不锈钢样品放入去离子水中进行超声清洗，将清洗后的不锈钢表面使用冷风吹干，得到表面洁净的不锈钢样品；
步骤三，将步骤二中得到的洁净的不锈钢样品固定在激光加工平台上，设定激光扫描工艺路径和激光器加工参数，采用皮秒激光加工系统对不锈钢表面进行扫描加工，得到微纳复合结构表面；
步骤四，将步骤三中得到的表面微纳结构化不锈钢样品放置在自然环境下保存一定时间，即得到不锈钢微纳结构化表面优异的超疏水性能和自清洁性能。
2.根据权利要求1所述的一种利用皮秒激光直接制备不锈钢超疏水自清洁表面的加工方法，其特征在于，步骤三所述的激光扫描工艺为采用振镜系统进行光束扫描，扫描速度为0.1～1000mm/s，扫描次数为1～100次。
3.根据权利要求1所述的一种利用皮秒激光直接制备不锈钢超疏水自清洁表面的加工方法，其特征在于，步骤三所述的激光扫描工艺路径为两组平行的直线扫描路径构成的方形网格状整体扫描路径，扫描间距为20～500μm。
4.根据权利要求1所述的一种利用皮秒激光直接制备不锈钢超疏水自清洁表面的加工方法，其特征在于，步骤三所述的激光器的波长为100～1500nm，脉冲宽度为1～1000ps，重复频率为1kHz～1MHz。
5.根据权利要求1所述的一种利用皮秒激光直接制备不锈钢超疏水自清洁表面的加工方法，其特征在于，步骤三所述的得到的微纳复合结构包括网格状分布的柱状微结构以及柱状微结构表面分布的凸起状微结构与微米级或纳米级颗粒状结构。
6.根据权利要求1所述的一种利用皮秒激光直接制备不锈钢超疏水自清洁表面的加工方法，其特征在于，步骤四所述的将步骤三中得到的表面微纳结构化不锈钢样品放置在自然环境下保存24小时，即得到优异的超疏水性能和自清洁功能。
7.根据权利要求1所述的一种利用皮秒激光直接制备不锈钢超疏水自清洁表面的加工方法，其特征在于，不锈钢超疏水自清洁表面的超疏水性能和自清洁功能可持续100天以上。
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