CN110340532B - 一种利用一步激光烧蚀制备金属铜超疏水表面的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属表面改性领域，特别是一种利用一步激光烧蚀制备金属铜超疏水表面的方法。包括如下步骤：步骤(1)：预处理：对铜样品表面进行清洗，得到干净的铜样品；步骤(2)：在步骤(1)得到的铜样品表面贴上聚酰亚胺胶带；步骤(3)：激光烧蚀：采用光纤激光器，对贴有聚酰亚胺胶带的铜表面进行烧蚀以得到微槽结构，烧蚀过程中铜表面产生的高温使聚酰亚胺迅速完全碳化为颗粒沉积在铜表面，在微槽结构和碳颗粒的共同作用下，一步实现铜表面的超疏水性。本发明的一种利用一步激光烧蚀技术制备金属铜超疏水表面的方法，通过在铜表面贴有聚酰亚胺胶带，并用激光高温烧蚀胶带，使其碳化，碳颗粒沉积在表面，产生超疏水效果。

Description

一种利用一步激光烧蚀制备金属铜超疏水表面的方法
技术领域
本发明属于金属表面改性领域，特别是一种利用一步激光烧蚀制备金属铜超疏水表面的方法。
背景技术
自然界中存在很多超疏水表面，例如，荷叶的表面、水黾的腿部、蝴蝶的翅膀、蚊子的复眼等。它们都存在一个共同的特点，即表面与水的接触角大于150°，滚动角小于10°，且表面均具有粗糙结构。超疏水表面在流动减阻、防污、防腐、防粘附、防堵塞、防结冰和强化冷凝传热等方面都有重要的应用。
一般地，超疏水表面可以通过两种方法来制备，若基底材料的固有性质呈亲水性，则需要在表面构建微米/纳米结构，再使用氟硅烷等低表面能化学物质进行修饰，以得到超疏水表面；若基底材料的固有性质呈疏水性，则在表面直接构建微米/纳米结构即可实现超疏水性。铜作为一种重要的金属，广泛应于于许多工程领域，诸如建筑、航空以及能源输送等，而在这些应用当中，铜表面的超疏水性备受关注。但是光滑铜表面本身呈亲水性，因此在铜基底上构建合适的微米/纳米结构是实现表面超疏水性的关键。
近期，在金属铜基底上构建微纳结构的方法不断涌现，例如热氧化法、化学腐蚀法、激光加工法、水热合成法、电化学沉积、阳极氧化等，但均各具有局限性。
如热氧化法(Lijun Xiang,Jian Guo,Chenhui Wu,Menglei Cai,Xinrong Zhou,Nailiang Zhang,A Brief Review on the Growth Mechanism of CuO Nanowires viaThermal Oxidation,Journal of Materials Research,2018,33,2264)，通过控制氧化时间、氧化温度和氧化环境，可以制备出具有不同尺寸和生长方向的纳米结构铜表面，但是此方法制备铜基纳米结构所需要的生长温度高，且纳米结构与铜基底结合力很弱，容易从基底上开裂或剥落，限制了此方法在实际中的应用。
化学腐蚀法(Xuemei Chen,Justin A.Weibel,and Suresh V.Garimella，Exploiting Microscale Roughness on Hierarchical Superhydrophobic CopperSurfaces for Enhanced Dropwise Condensation，Advanced Materials Interfaces2015,2,1400480)，通过控制腐蚀液的浓度和反应时间，可以制备出具有不同形状的微纳米复合结构铜表面，但是此方法制备的微纳结构的机械强度不甚理想、环境适应性差。
激光加工法(Guang Tang and Amin Abdolvand,Laser-assisted HighlyOrganized Structuring of Copper,Optical Materials Express,2011,1,1425)，可以在铜基底上加工各种微米结构，虽然此方法加工灵活且具有较高的自由度，但其加工成本高昂，加工效率低，不能进行大规模生产。
然而，无论采用何种方法，在铜基底上构建微纳结构之后，表面都还需要再修饰一层含氟类低表面能化学物质，才能使其呈现超疏水性；但是修饰的化学物质，对环境及人体存在着一定的潜在危害。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种利用一步激光烧蚀制备金属铜超疏水表面的方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种利用一步激光烧蚀制备铜超疏水表面的方法，包括如下步骤：
步骤(1)：预处理：对铜样品表面进行清洗，得到干净的铜样品；
步骤(2)：在步骤(1)得到的铜样品表面贴上聚酰亚胺胶带；
步骤(3)：激光烧蚀：采用不易被非金属材料吸收的光纤激光器，对贴有聚酰亚胺胶带的铜表面进行烧蚀以得到微槽结构，烧蚀过程中铜表面产生的高温使聚酰亚胺迅速完全碳化为颗粒沉积在铜表面，在微槽结构和碳颗粒的共同作用下，一步实现铜表面的超疏水性。
进一步的，所述步骤(1)中对铜样品表面进行清洗的方法为：依次将样品在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗5-25分钟；清洗干净后，用冷风吹干或室温自然晾干，得到干净的铜样品。
进一步的，所述步骤(2)中聚酰亚胺胶带的厚度为0.04-0.14mm。
进一步的，所述步骤(3)激光烧蚀采用的设备为激光雕刻机，其中光纤激光器产生的激光的波长为1.06μm。
进一步的，所述步骤(3)中激光烧蚀的工作模式为向量模式，激光烧蚀的图案是直线阵列结构；激光功率为10-38W，扫描速度为0.10-2.52m/s，扫描频率为10-510kHz，直线粗为8-110μm，直线间距为8-140μm。
进一步的，所述激光烧蚀的工作模式和参数范围通过激光雕刻机控制面板进行设定，直线阵列结构通过CorelDRAW或AutoCAD软件绘制并输出到激光雕刻机控制面板。
进一步的，聚酰亚胺胶带完全碳化沉积在铜基底上的碳颗粒和激光烧蚀的微槽结构共同作用，致使表面为超疏水表面，其接触角大于160°，滚动角小于5°。
本发明与现有技术相比，其显著优点如下：
1.本发明的一种利用一步激光烧蚀技术制备金属铜超疏水表面的方法，通过在铜表面贴有聚酰亚胺胶带，并用激光高温烧蚀胶带，使其碳化，碳颗粒沉积在表面，可以产生超疏水效果。
2.本发明的一种利用一步激光烧蚀技术制备金属铜超疏水表面的方法，烧蚀的表面无需任何低表面能化学物质的修饰即可具有超疏水性能。
3.本发明的一种利用一步激光烧蚀技术制备金属铜超疏水表面的方法，工艺简单、操作方便、加工快捷、效率高、能耗少，成本低、绿色环保、可大规模工业生产。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明利用一步激光烧蚀技术制备铜基超疏水表面的过程示意图。
图2是本发明实施例1中利用激光功率24W、扫描速度0.25m/s、扫描频率30kHz及直线间距50μm的参数制备的铜基超疏水表面的扫描电子显微镜图。
图3是本发明实施例2中利用激光功率24W、扫描速度0.25m/s、扫描频率30kHz及直线间距100μm的参数制备的铜基超疏水表面的扫描电子显微镜图。
图4是本发明实施例3中利用激光功率16W、扫描速度0.5m/s、扫描频率30kHz及直线间距100μm的参数制备的铜基超疏水表面的扫描电子显微镜图。
图5是水在实施例1制备的铜基超疏水表面上的静态接触角图。
图6是水在实施例2制备的铜基超疏水表面上的静态接触角图。
图7是水在实施例3制备的铜基超疏水表面上的静态接触角图。
图8是水滴撞击实施例1制备的铜基超疏水表面上的动态过程图。
图9是水滴撞击实施例2制备的铜基超疏水表面上的动态过程图。
图10是水滴撞击实施例3制备的铜基超疏水表面上的动态过程图。
具体实施方式
本发明提供一种不需要任何化学物质修饰，工艺简单、操作方便、加工快捷、效率高、能耗少，成本低、绿色环保、可大规模工业生产的铜基超疏水表面的制备方法。采用该方法制备的铜表面，接触角可达160°以上，滚动角小于5°。
一种利用一步激光烧蚀技术制备金属铜超疏水表面的方法，该方法包括以下步骤：
①对金属铜样品表面进行清洗，以得到干净的铜样品。
②将聚酰亚胺胶带贴在表面干净的铜样品表面，采用不易被非金属材料所吸收的光纤激光器对铜表面进行烧蚀以得到微槽结构，烧蚀过程中铜表面产生的高温使聚酰亚胺迅速碳化为颗粒沉积在铜表面，在微槽结构和碳颗粒的共同作用下，一步实现铜表面的超疏水性。
进一步地，步骤①所述的对样品表面进行清洗的方法是，依次将样品在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗5-25分钟，以去除表面的油污、有机物质和杂质；清洗干净后，用冷风吹干或室温自然晾干，得到干净的铜样品。
进一步地，步骤②所述的聚酰亚胺胶带的厚度为0.04-0.14mm。
进一步地，步骤②所述的激光烧蚀技术采用的设备为激光雕刻机，固体激光器为光纤激光器，波长为1.06μm，其不易被非金属材料所吸收，所以不能烧蚀聚酰亚胺材料，只能烧蚀金属铜材料。
进一步地，步骤②所述的对铜表面进行激光烧蚀时，激光烧蚀的工作模式为向量模式，激光烧蚀的图案是直线阵列结构；该直线阵列可以通过激光烧蚀的向量模式在金属铜表面得到微槽结构。
进一步地，步骤②所述的对铜表面进行激光烧蚀时，激光功率为10-38W，扫描速度为0.10-2.52m/s，扫描频率为10-510kHz，直线粗为8-110μm，直线间距为8-140μm。对于此方法，通过不同激光烧蚀工艺参数和直线阵列几何参数而获得的超疏水表面，仍然属于本专利保护范围。
进一步地，激光烧蚀的工作模式和参数范围可通过激光雕刻机控制面板进行设定，烧蚀图案可通过CorelDRAW或AutoCAD软件绘制并输出到激光雕刻机控制面板。
进一步地，在对表面进行激光烧蚀时，激光参数的设定要确保覆盖在金属铜基底上的聚酰亚胺胶带被完全碳化，以沉积在铜表面。
进一步地，完全碳化后沉积在铜基底上的碳颗粒和激光烧蚀的微槽结构共同作用，致使表面为超疏水表面，其接触角大于160°，滚动角小于5°。
实施例1
(1)将金属铜依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗15分钟，室温自然晾干。
(2)将厚度为0.05mm的聚酰亚胺胶带贴在干净的铜样品表面。
(3)将贴有聚酰亚胺胶带的铜样品表面放入激光雕刻机(光纤激光器，波长为1.06μm)的工作台上。
(4)用CorelDRAW软件绘制直线阵列，其中直线粗为10μm，长度为10mm，直线与直线之间的距离为50μm。
(5)将绘制的图案输出到激光雕刻机中，在控制面板中设置激光功率为24W，扫描速度为0.25m/s，扫描频率为30kHz，扫描模式为向量模式。调整激光焦距，进行烧蚀。
(6)如图2的扫描电子显微镜图片所示，烧蚀后的表面为排列紧密的微槽结构，在微结构上沉积有均匀的碳颗粒。水在该表面上的静态接触角为163.2°(图5)，且水滴从3cm的高度滴落在该表面上时，水滴可以弹跳脱离表面(图8)，这说明该表面具有较强的超疏水行为，为超疏水表面。
实施例2
(1)将金属铜依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗15分钟，室温自然晾干。
(2)将厚度为0.05mm的聚酰亚胺胶带贴在干净的铜样品表面。
(3)将贴有聚酰亚胺胶带的铜样品表面放入激光雕刻机(光纤激光器，波长为1.06μm)的工作台上。
(4)用CorelDRAW软件绘制直线阵列，其中直线粗为10μm，长度为10mm，直线与直线之间的距离为100μm。
(5)将绘制的图案输出到激光雕刻机中，在控制面板中设置激光功率为24W，扫描速度为0.25m/s，扫描频率为30kHz，扫描模式为向量模式。调整激光焦距，进行烧蚀。
(6)如图3的扫描电子显微镜图片所示，烧蚀后得到的表面为排列稀疏的微槽结构，在微结构上沉积有圆形或片状的的碳颗粒。水在该表面上的静态接触角为162.8°(图6)，且水滴从3cm的高度滴落在该表面上时，水滴可以弹跳脱离表面(图9)，这说明该表面具有较强的超疏水行为，为超疏水表面。
实施例3
(1)将金属铜依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗15分钟，室温自然晾干。
(2)将厚度为0.05mm的聚酰亚胺胶带贴在干净的铜样品表面。
(3)将贴有聚酰亚胺胶带的铜样品表面放入激光雕刻机(光纤激光器，波长为1.06μm)的工作台上。
(4)用CorelDRAW软件绘制直线阵列，其中直线粗为10μm，长度为10mm，直线与直线之间的距离为100μm。
(5)将绘制的图案输出到激光雕刻机中，在控制面板中设置激光功率为16W，扫描速度为0.5m/s，扫描频率为30kHz，扫描模式为向量模式。调整激光焦距，进行烧蚀。
(6)如图4的扫描电子显微镜图片所示，烧蚀后得到的表面为排列稀疏的微槽结构，在微结构上沉积有片状的的碳颗粒。水在该表面上的静态接触角为164.5°(图7)，且水滴从3cm的高度滴落在该表面上时，水滴可以弹跳脱离表面(图10)，这说明该表面具有较强的超疏水行为，为超疏水表面。

Claims (4)

1.一种利用一步激光烧蚀制备铜超疏水表面的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：预处理：对铜样品表面进行清洗，得到干净的铜样品；
步骤(2)：在步骤(1)得到的铜样品表面贴上聚酰亚胺胶带；聚酰亚胺胶带的厚度为0.04-0.14mm；
步骤(3)：激光烧蚀：采用不易被非金属材料吸收的光纤激光器，对贴有聚酰亚胺胶带的铜表面进行烧蚀以得到微槽结构，烧蚀过程中铜表面产生的高温使聚酰亚胺迅速完全碳化为颗粒沉积在铜表面，在微槽结构和碳颗粒的共同作用下，一步实现铜表面的超疏水性；所述步骤(3)激光烧蚀采用的设备为激光雕刻机，其中光纤激光器产生的激光的波长为1.06μm；步骤(3)中激光烧蚀的工作模式为向量模式，激光烧蚀的图案是直线阵列结构；激光功率为10-38W，扫描速度为0.10-2.52m/s，扫描频率为10-510kHz，直线粗为8-110μm，直线间距为8-140μm。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中对铜样品表面进行清洗的方法为：依次将样品在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗5-25分钟；清洗干净后，用冷风吹干或室温自然晾干，得到干净的铜样品。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光烧蚀的工作模式和参数范围通过激光雕刻机控制面板进行设定，直线阵列结构通过CorelDRAW或AutoCAD软件绘制并输出到激光雕刻机控制面板。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，聚酰亚胺胶带完全碳化沉积在铜基底上的碳颗粒和激光烧蚀的微槽结构共同作用，致使表面为超疏水表面，其接触角大于160°，滚动角小于5°。
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