CN109954965A - 通过纳秒激光进行金属表面处理的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过纳秒激光进行金属表面处理的方法，包括以下步骤：将金属件表面进行打磨处理；通过纳秒激光加工打磨处理后的的金属件的表面以得到具有微纳米复合结构的表面；对所述具有微纳米复合结构的表面进行清洗并吹干；将吹干后的金属件用低表面能物质溶液进行处理。本申请通过成本更低的纳秒激光器来对工件表面进行处理，辅以低表面能物质修饰，使得工件表面具有良好的超疏水性能，该工艺设备成本低、制备过程简单，对环境要求不严苛，适宜工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种通过纳秒激光进行金属表面处理的方法。
背景技术
固体或溶液的疏水性即水在疏水性表面时会形成一个很大的接触角而成水滴状，从而使水很难附着在表面。当产品的表面具有疏水性时，其难以附着灰尘且具有自清洁效果。
目前，在产品表面进行疏水性加工的工艺比较复杂，加工成本较高。如何降低加工成本，提高工作效率且保证工件表面较好的疏水性是本领域亟需解决的问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种通过纳秒激光进行金属表面处理的方法，具有加工成本低、加工得到的产品疏水性好的优点。
一种通过纳秒激光进行金属表面处理的方法，包括以下步骤：
将金属件表面进行打磨处理；
通过纳秒激光加工打磨处理后的金属件的表面以得到具有微纳米复合结构的表面；
对所述具有微纳米复合结构的表面进行清洗并吹干；
将吹干后的金属件用低表面能物质溶液进行处理。
在其中一个实施例中，在将吹干后的金属件用低表面能物质溶液进行处理的步骤中，在金属件表面得到氟化物层。
在其中一个实施例中，所述低表面能物质溶液为全氟辛酸溶液，所述全氟辛酸溶液的浓度是0.01mol/L-0.04mol/L。
在其中一个实施例中，在所述全氟辛酸溶液中浸泡2小时-4小时。
在其中一个实施例中，所述微纳米复合结构包括呈周期排布的微米级别波峰结构，以及布满在波峰表面的纳米级波纹颗粒结构。
在其中一个实施例中，采用纳秒激光加工时，激光器的中心波长为1064nm，脉宽为20ns-60ns，输出的平均功率为8W-15W，重复频率为30kHz-100kHz。
在其中一个实施例中，采用纳秒激光加工时，激光加工路径为交叉扫描，扫描间距为20um-40um，扫描速度为200mm/s-500mm/s，扫描次数为70次-300次。
在其中一个实施例中，通过激光加工系统加工所述金属的表面以得到具有微纳米复合结构的表面，所述激光加工系统包括：用于产生激光的纳秒激光器，以及沿所述激光路径布置的反射镜组、扩束镜、激光衰减器、扫描振镜和F-theta镜头，还包括用于放置所述打磨处理后的金属件的移动平台，所述激光通过F-theta镜头聚焦后作用于位于所述移动平台上的金属件。
在其中一个实施例中，所述金属件为不锈钢材料。
在其中一个实施例中，在所述将吹干后的金属件用低表面能物质溶液进行处理的步骤中，在室温、大气环境下进行处理。
有益效果：本申请通过成本更低的纳秒激光器来对工件表面进行处理，辅以低表面能物质修饰，使得工件表面具有良好的超疏水性能，该工艺设备成本低、制备过程简单，对环境要求不严苛，适宜工业化生产。
附图说明
图1为本申请一个实施例中的通过纳秒激光进行金属表面处理的方法的流程示意图；
图2为本申请一个实施例中的激光加工系统的结构示意图；
图3为本申请一个实施例中金属件的微纳米复合结构的表面3D扫描显微结构图；
图4为本申请一个实施例中的水滴的静态接触角随着溶液浓度变化的折线图；
图5为本申请一个实施例中的水滴在金属件上的状态示意图；
图6为本申请一个实施例中的水滴在金属件表面将金属表面的纸屑带走状态的示意图。
附图标记：110、纳秒激光器；120、反射镜组；130、扩束镜；140、激光衰减器；150、扫描振镜；160、F-theta镜头；170、金属件；180、移动平台。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本发明公开内容的理解更佳透彻全面。
图1为一个实施例中的通过纳秒激光进行金属表面处理的方法的流程示意图。包括以下步骤：
S100、将金属件表面进行打磨处理。。
打磨处理的目的就是将金属表面的氧化层及杂质去除，暴露出内部的具有光亮色泽的金属。例如，可以采用砂纸对金属表面进行打磨抛光处理。可以先后通过大粒径的砂纸进行粗打磨和通过小粒径的金属进行细打磨，直至暴露出较亮的金属色泽。为了使金属表面的光洁度更加好，还可以对砂纸打磨后的金属使用研磨膏进行抛光处理。
打磨处理后的金属迅速浸入酒精中进行超声波清洗。清洗的时间优选为5min-10min。然后用热风对金属表面吹干净，得到具有洁净表面的金属。
S200、通过纳秒激光加工打磨处理后的金属件的表面以得到具有微纳米复合结构的表面。本申请的技术方案采用低成本的纳秒激光，配合后续工艺，实现了加工成本低、加工得到的产品疏水性好的优点。
图2为一个实施例中的激光加工系统的结构示意图。如图2所示，激光加工系统包括用于产生激光的纳秒激光器110，沿着激光路径布置的反射镜组120、扩束镜130、激光衰减器140、扫描振镜150和F-theta镜头160，还包括用于放置打磨处理后的金属件170的移动平台180，激光通过F-theta镜头160聚焦后作用于位于移动平台180上的金属件170。
纳秒激光器110发出的激光经过反射镜组120反射后，再经过扩束镜130扩束，通过激光衰减器140后调节成强度合适的激光，扫描振镜150包括了X轴方向和Y轴方向的转动式反射镜，根据反射定律，激光入射反射镜后会以一定的角度的反射，改变反射镜的角度可以使激光朝向不同的方向传播，激光经过扫描振镜150后从F-theta镜头160射出，并聚焦到移动平台180上的金属件170上。移动平台180能够带动金属件170移动，配合扫描振镜150使激光照射方向发生改变使金属件170整个表面都能够被加工到。本实施例中，移动平台180是直接放置在大气环境中，对环境的要求低，操作更加便捷。
纳秒激光是一种短脉冲的激光加工，具体地，采用激光器的中心波长为1064nm，脉宽为20ns-60ns，输出的平均功率为8W-15W，重复频率为30kHz-100kHz进行加工。加工时，激光加工路径为交叉扫描，扫描间距为20um-40um，扫描速度为200mm/s-500mm/s，扫描次数为70次-300次。采用纳秒激光加工微纳米复合结构的表面，工艺简单，技术成熟，加工效率高。配合后续工序的表面处理工艺，能够得到疏水性能好的表面。
其中，上述微纳米复合结构是在材料表面形成具有微米级别和纳米级别的凹凸复合结构。其表面3D扫描显微结构图如图3所示，材料表面能够形成阵列式均匀排布的微米级别的波峰结构，以及布满在波峰表面的纳米级波纹颗粒结构。其中，相邻波峰结构的平均间距在30μm左右。由于这些波峰结构整齐的布置在材料表面，使得材料表面的力学性能更加均衡稳定，且疏水性能更加均匀，由于纳米级波纹颗粒布满波峰表面，使得金属件与水直接形成更多的空气间隙，大大提高了疏水性能；进一步地，由于该微纳米复合结构有上述工艺处理后形成，不会像氧化层一样容易被磨损掉，进而提高了金属件表面疏水性能的耐久性。其中，波峰和波谷的高度差平均在25μm。
S300、对具有微纳米复合结构的表面进行清洗并吹干。
将激光加工后的金属件浸入酒精中超声波清洗5min-10min，然后用氮气吹干。
S400、将吹干后的金属件用低表面能物质溶液进行处理。
表面能是恒温、恒压、恒组成情况下，可逆地增加物系表面积须对物质所做的非体积功。表面能的另一种定义是，表面粒子相对于内部粒子所多出的能量。对于固体材料，把材料分解成小块所需要的能量与小块材料表面所增加的能量相等，即表面能增加。对于液体，由于物体表面积改变而引起的内能改变，液体的单位面积的表面能的数值和表面张力相同(固体则不相同)，但两者物理意义不同。
具体地，可以采用全氟癸基三甲氧基硅烷、氟硅烷乙醇溶液、油酸污水乙醇溶液、正十二烷基硫醇的乙醇溶液等处理金属件。
其中，在将吹干后的金属件用低表面能物质溶液进行处理的步骤中，在金属件表面得到氟化物层。氟化物表面能较低，且其自身具有憎水特性，对金属件表面处理后，配合微纳米复合结构，使金属件表面表现出良好的疏水效应。
优选地，可以采用全氟辛酸(PFOA)溶液浸泡2小时-4小时，全氟辛酸溶液的浓度是0.01mol/L-0.04mol/L。发明人在长期的研究中发现，通过全氟辛酸(PFOA)处理后的金属表面，较其他方法具有更好的疏水效果。
例如，采用激光器的中心波长为1064nm，脉宽为40ns，输出的平均功率为11W，重复频率为50kHz，交叉扫描幅面为20mm*20mm，扫描间距为30um，扫描速度为70次，处理金属件后，分别在不同浓度的全氟辛酸溶液中浸泡3小时，静态接触角的变化随着溶液浓度变化如图4所示。图5为水滴在金属件上的状态示意图，图5中的θ表示静态接触角，若θ<90°，则固体表面是亲水性的，即液体较易润湿固体，其角越小，表示润湿性越好；若θ>90°，则固体表面是疏水性的，即液体不容易润湿固体，容易在表面上移动；若θ>150°，则固体表面具备超疏水特性。
从图4中可以得到，纳秒激光加工后，在全氟辛酸溶液的浓度为0.015mol/L时，静态接触角最大，可以达到151.3°，随着全氟辛酸溶液的浓度的增加，其对金属表面的腐蚀能力加大，导致静态接触角下降，在全氟辛酸溶液的浓度在0.045mol/L之后，静态接触角逐渐降低。因此，全氟辛酸溶液的浓度是0.01mol/L-0.04mol/L为较优。如图6所示，金属表面有白色的纸屑，当水滴在金属表面形成团状，不易附着在金属表面，且水滴下滑能够将纸屑带走，表示了金属表面具有良好的自清洁性能。
表1为在室温、大气环境下将吹干后的不锈钢件用0.015mol/L的全氟辛酸溶液进行处理后，3μL水滴的静态接触角的关系，其中，激光器的中心波长为1064nm，室温环境下的温度为25℃，相对湿度为66RH。
从表1中可以得到，激光器中心波长为1064nm，脉宽为20ns-60ns，输出的平均功率为8W-15W，重复频率为30kHz-100kHz进行加工。加工时，激光加工路径为交叉扫描，扫描间距为20um-40um，扫描速度为200mm/s-500mm/s，扫描次数为70次-300次，在室温、大气环境下将吹干后的不锈钢件用0.015mol/L的全氟辛酸溶液进行处理后，静态接触角稳定在151°左右，证明工件表面具有良好的超疏水表面。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种通过纳秒激光进行金属表面处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将金属件表面进行打磨处理；
通过纳秒激光加工打磨处理后的金属件的表面以得到具有微纳米复合结构的表面；
对所述具有微纳米复合结构的表面进行清洗并吹干；
将吹干后的金属件用低表面能物质溶液进行处理。
2.根据权利要求1所述的通过纳秒激光进行金属表面处理的方法，其特征在于，在将吹干后的金属件用低表面能物质溶液进行处理的步骤中，在金属件表面得到氟化物层。
3.根据权利要求1所述的通过纳秒激光进行金属表面处理的方法，其特征在于，所述低表面能物质溶液为全氟辛酸溶液，所述全氟辛酸溶液的浓度是0.01mol/L-0.04mol/L。
4.根据权利要求3所述的通过纳秒激光进行金属表面处理的方法，其特征在于，在所述全氟辛酸溶液中浸泡2小时-4小时。
5.根据权利要求1所述的通过纳秒激光进行金属表面处理的方法，其特征在于，所述微纳米复合结构包括呈周期排布的微米级别波峰结构，以及布满在波峰表面的纳米级波纹颗粒结构。
6.根据权利要求1所述的通过纳秒激光进行金属表面处理的方法，其特征在于，采用纳秒激光加工时，激光器的中心波长为1064nm，脉宽为20ns-60ns，输出的平均功率为8W-15W，重复频率为30kHz-100kHz。
7.根据权利要求1所述的通过纳秒激光进行金属表面处理的方法，其特征在于，采用纳秒激光加工时，激光加工路径为交叉扫描，扫描间距为20um-40um，扫描速度为200mm/s-500mm/s，扫描次数为70次-300次。
8.根据权利要求1所述的通过纳秒激光进行金属表面处理的方法，其特征在于，通过激光加工系统加工所述金属的表面以得到具有微纳米复合结构的表面，所述激光加工系统包括：用于产生激光的纳秒激光器，以及沿所述激光路径布置的反射镜组、扩束镜、激光衰减器、扫描振镜和F-theta镜头，还包括用于放置所述打磨处理后的金属件的移动平台，所述激光通过F-theta镜头聚焦后作用于位于所述移动平台上的金属件。
9.根据权利要求1所述的通过纳秒激光进行金属表面处理的方法，其特征在于，所述金属件为不锈钢材料。
10.根据权利要求1所述的通过纳秒激光进行金属表面处理的方法，其特征在于，在所述将吹干后的金属件用低表面能物质溶液进行处理的步骤中，在室温、大气环境下进行处理。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190702 |