CN109128512B - 一种在不锈钢表面制备的微纳米自组织结构及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种在不锈钢表面制备的微纳米自组织结构及制备方法，将单面抛光的不锈钢316L薄片表面抛光至镜面光泽，然后依次放入丙酮、酒精以及去离子水中各超声清洗，采用长脉冲光纤激光对清洗后的不锈钢316L薄片进行脉冲激光连续的点射加工，生成微纳米自组织结构，再对微纳米自组织结构进行脉冲激光连续的点射，在316L不锈钢表面制备出大面积二维自组织微纳结构，能够制备出周期性自组织微纳米结构，这种方法操作简便，对加工环境要求低，按照加工工艺参数，可以快速、低成本、大面积地在316L不锈钢表面制备周期性微纳米结构。

Description

一种在不锈钢表面制备的微纳米自组织结构及制备方法
技术领域
本发明涉及激光表面微纳结构加工领域，特别涉及一种在不锈钢表面制备的微纳米自组织结构及制备方法。
背景技术
微纳米结构的常规制备方法有表面包覆、表面组织改性、化学处理、激光加工、离子注入和表面刻蚀等，修饰物体表面的物理和化学特性，优化材料表面的疏水、减阻、抗粘附等性能，使原始材料实现减阻、防尘、防水等重要的新型功能。
激光在微纳米结构加工方面也有很多应用研究，主要包括皮秒、飞秒激光、光纤激光等。飞秒激光因为精度高被广泛研究，但飞秒激光价格昂贵，设备对环境要求高，限制其广泛应用。光纤激光器具有相对较低的成本，具有使用环境宽泛、应用领域广、易维护、操作简单方便等优点。然而受到光学衍射极限的限制，光纤激光直写加工的精度限制在微米量级，无法实现纳米级精度的结构制造。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种在不锈钢表面制备的微纳米自组织结构及制备方法，能够制备出周期性自组织微纳米结构，实现材料表面润湿性由亲水性到疏水性的转变，具有操作简便、快速、成本低的特点。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种在不锈钢表面制备微纳米自组织结构的方法，步骤如下：
将单面抛光的不锈钢316L薄片表面抛光至镜面光泽，然后依次放入丙酮、酒精以及去离子水中各超声清洗5min，采用长脉冲光纤激光对清洗后的不锈钢316L薄片进行脉冲激光连续的点射加工，生成微纳米自组织结构，再对微纳米自组织结构进行脉冲激光连续的点射，在316L不锈钢表面制备出大面积二维自组织微纳结构。
所述采用的长脉冲光纤激光的具体参数为：激光波长1070nm，功率范围10-100W，脉冲频率1-100KHz，脉冲占空比为50％，激光光束直径为5mm，通过焦距30mm的聚焦镜聚焦产生直径18μm的光斑。
所述采用长脉冲光纤激光制备微纳米自组织结构的具体参数为：室温环境下，激光功率P＝11-21W，脉冲频率f＝1000Hz，脉冲占空比50％，加工材料的运动速率V＝0.6-1.1m/min，加工材料的运动加速度a＝15m/min2。
所述对微纳米自组织结构制备成为大面积二维自组织微纳结构加工参数为：室温条件下，激光功率P＝15W，脉冲频率f＝1000Hz，加工材料的运动速率V＝0.6m/min，加工材料的运动加速度a＝15m/min2，占空比50％，扫描线间隔d＝40-50μm。
所述不锈钢316L薄片规格为50mm×50mm×0.67mm。
一种在不锈钢表面制备的微纳米自组织结构，所述微纳米自组织结构为宽度40±0.3um的月牙状结构，内部包含长度300±0.5nm的小凸起非平滑结构。
本发明与现有技术相比的有益效果为：
本发明使用低成本的、广泛使用的长脉冲光纤激光，采用一种激光诱导表面自组织结构方法在不锈钢表面制备周期性自组织微纳米结构，实现材料表面润湿性由亲水性到疏水性转变。这种方法操作简便，对加工环境要求低，按照加工工艺参数，可以快速、低成本、大面积地在316L不锈钢表面制备周期性微纳米结构。
本发明方法通过优化光纤激光加工的参数，由高温熔池内材料的气态和等离子体，形成高温高压的环境熔融态的基体材料飞溅流动，能够制备出周期性自组织微纳米结构，排列一致的纳米级自组织结构的存在改变了材料疏水性能，将亲水性的基体材料改变为疏水材料。微纳米自组织结构有效地增加基体的粗糙度，减少液相在固态基体板上的接触面积比例，提高了复杂混合材料表面的接触角。
附图说明
图1为自组织结构的SEM图。
图2为大面积自组织结构图。
图3为图2的局部放大图。
图4为实验加工设备简图。
图5为优异自组织结构SEM图。
图6为光滑面接触角和拥有自组织结构的表面接触角对比图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例一：
本方法采用的光纤激光加工系统包括激光器、光路传输系统、固定工件的移动平台三部分。脉冲光纤激光系统包括英国SPI公司的SP-100C-0020型光纤激光器、数字信号发生器和激光器控制软件三个主要部分，采用激光器控制软件控制输出激光的功率、脉冲频率、脉冲占空比等；光纤激光光路传输系统主要包括：激准直器、光阑、反射镜1、聚焦凸透镜2等光学元器件；固定样品5的工作台6为深圳固高科技有限公司的二维移动平台，使用运动控制软件和编写G代码程序实现加工工件的精准定位和运动。
一种采用脉冲光纤激光在不锈钢表面制备微纳米自组织结构的方法，其主要特征在于，包括以下步骤：
(1)采用英国SPI光纤激光器，激光波长1070nm，功率范围10-100W，脉冲频率1Hz-100KHz，脉冲占空比50％。整个激光加工主要包括激光发生器，光路系统以及运动系统。激光器产生给定的功率和频率的脉冲激光，通过光路传输系统对激光进行偏转、折射和聚焦。光纤激光光路传输系统主要包括：激光器、准直器、光阑、反射镜1、聚焦凸透镜2等，实验装置原理图如图4所示。实验采用的激光束4直径为5mm，通过焦距30mm的聚焦镜聚焦产生直径18μm的光斑3。激光加工过程中，激光束4位置不变，固定样品5的工作台6按照给定的运动规律运动。
(2)加工材料为单面抛光的不锈钢316L薄片(规格为50mm×50mm×0.67mm)，激光加工前先将表面抛光至镜面光泽，然后依次放入丙酮、酒精以及去离子水中各超声清洗5min。
(3)制备一维自组织微纳结构
通过实验确定最优的周期性自组织微纳结构的加工参数为：室温环境下，激光功率P＝11-21W，脉冲频率f＝1000Hz，脉冲占空比50％，待加工的样品5放置在工作台6上，随工作台6同步运动，工作台6的运动速度V＝0.6-1.1m/min，工作台6的运动加速度a＝15m/min2，生成宽度40μm以上的月牙状结构，内部包含小型长度300nm以上的小凸起非平滑结构。参见图5和图1。
(4)制备大面积二维自组织微纳结构
室温条件下，使用优化后的一维自组织微纳结构加工参数：激光功率P＝15W，脉冲频率f＝1000Hz，样品5及工作台6的运动速度V＝0.6m/min，样品5及工作台6的运动加速度a＝15m/min2，占空比50％，扫描线间隔d＝40-50μm，在316L不锈钢表面制备出大面积自组织结构。参见图2和图3放大图。
(5)大面积二维自组织微纳结构的表面性能检测
a.自组织微纳结构材料分析
采用能谱分析(EDS)和X射线衍射分析(XRD)检测自组织微纳结构的主要成分为316L不锈钢，表层含有少量的氧化铁成分，说明在生成自组织结构时并没有引入新的物相。
b.疏水性检测
参见图6，微纳米自组织结构间距为50μm时接触角可以达到97.3°，凹槽结构的存在有效减少液相在固态基体板上的接触面积比例，提高了复杂混合材料表面的接触角，提高材料的疏水性能。

Claims (4)

1.一种在不锈钢表面制备微纳米自组织结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：
将单面抛光的不锈钢316L薄片表面抛光至镜面光泽，然后依次放入丙酮、酒精以及去离子水中各超声清洗5min，采用长脉冲光纤激光对清洗后的不锈钢316L薄片进行脉冲激光连续的点射加工，生成一维微纳米自组织结构，再对一维微纳米自组织结构进行脉冲激光连续的点射，在316L不锈钢表面制备出大面积二维微纳米自组织结构；
所述一维微纳米自组织结构为月牙状结构，内部包含小凸起非平滑结构；
所述采用的长脉冲光纤激光的具体参数为：激光波长1070nm，功率范围10-100W，脉冲频率1-100KHz，脉冲占空比为50%，激光光束直径为5mm，通过焦距30mm的聚焦镜聚焦产生直径18μm的光斑。
2.根据权利要求1所述的一种在不锈钢表面制备微纳米自组织结构的方法，其特征在于，所述采用长脉冲光纤激光制备一维微纳米自组织结构的具体参数为：室温环境下，激光功率P=11-21W，脉冲频率f=1000Hz，脉冲占空比50%，加工材料的运动速率V=0.6-1.1m/min，加工材料的运动加速度a=15m/min2。
3.根据权利要求1所述的一种在不锈钢表面制备微纳米自组织结构的方法，其特征在于，采用脉冲光纤激光对一维微纳米自组织结构进行脉冲激光连续的点射制备成为大面积二维微纳米自组织结构加工参数为：室温条件下，激光功率P=15W，脉冲频率f=1000Hz，加工材料的运动速率V=0.6m/min，加工材料的运动加速度a=15m/min2，占空比50%，扫描线间隔d=40-50μm。
4.根据权利要求1所述的一种在不锈钢表面制备微纳米自组织结构的方法，其特征在于，所述不锈钢316L薄片规格为50mm×50mm×0.67mm。
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