CN111014959B - 一种基于激光冲击压印技术的仿生表面制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于激光冲击压印技术的仿生表面制备方法，步骤包括：1)用双面胶将干燥洁净的生物叶片固定在干净的玻璃皿中；2)将PDMS浇注到玻璃皿中，制备具有反形貌的PDMS模具；3)用光刻胶和光刻技术制备具有正形貌的光刻胶模具；4)在光刻胶模具上放置待制备仿生表面织构的金属试样，在试样上方依次铺设吸收层和约束层，将试样固定在六轴工业机器人夹具上，利用激光器输出激光束，激光被吸收层吸收后，产生等离子体爆炸形成冲击波，冲击压力将金属试样压印至光刻胶模板空隙内，制备出具有与生物叶片一致的仿生表面。本发明为金属仿生表面的制备提供了一种新的方法。

Description

一种基于激光冲击压印技术的仿生表面制备方法
技术领域
本发明属于表面工程领域，具体涉及一种基于激光冲击压印技术制备仿生表面的加工工艺方法。
背景技术
地球上各地区环境各异，生物为适应环境，常进化出与之相适应的特性，如：荷叶的超疏水性，昆虫的复眼，变色龙的变色属性，向日葵的向日性等。以荷叶的超疏水性为例，水在荷叶表面的接触角大于150°，并且滑动角小于10°时，当叶片倾斜，叶片上面的水便会很快滑落，同时也会将荷叶表面的污染物带走。造成这种现象的主要原因是荷叶表面有一层微米级的乳突结构和蜡状物。事实上，自然界中的水稻叶、玫瑰花瓣等也具有类似的超疏水性质。
目前仿生技术越来越受到人们的重视，其中仿生表面的制备就是其中一个重要的方向。如超疏水性被广泛用于自清洁、耐腐蚀、防冰抑霜场合，因此，仿生表面的制备对于推动工业的发展具有重要意义。目前，有很多制备仿生表面的技术，如层层组装法、溶液浸泡法、电化学法、模板法、激光加工法等。其中激光加工作为一种新型的工艺，具有可控性好、绿色环保、加工精度高等明显优势。
目前，激光表面加工技术主要分为两种，一种是利用热效应的激光表面微造型技术(Laser Surface Texturing,LST)，一种是利用力效应的激光冲击表面织构技术(LaserPeen Texturing,LPT)。激光冲击表面织构技术是一种基于材料表面塑性变形的微织构加工技术，通过利用激光冲击时产生的瞬时高幅值力学效应，在材料表面制备出规则有序的织构，并能有效避免激光的热效应造成的缺陷。同时，激光冲击表面织构技术有一个显著的优势：在瞬间巨大的冲击压力下，材料表面及其亚表面会产生晶粒细化的效应，并且会产生较深的残余压应力层，从而提高材料的机械和物理性能。但同时激光冲击表面织构技术也存在一定的局限性：加工的织构形状和尺寸受到激光光斑形状和尺寸的限制，不能任意加工出其他形状的织构。激光冲击压印技术(Laser Shock Imprint,LSI)则是在激光冲击技术基础上发展而来的一种新工艺。激光冲击压印技术既继承了激光冲击技术对材料表面改性强化的优势，又克服了激光冲击表面织构技术所加工的织构受到激光光斑形状和尺寸限制的劣势，是一种绿色环保且适用范围广的加工工艺。
目前，可检索到相关的仿生表面制备方法，如名称为“一种具有抗藻类附着性能的仿生织构化材料及其制备方法”(专利号：ZL201310223520.4)的发明，其仿生表面的制备过程如下：用聚二甲基硅氧烷预聚体预交联剂的混合物浇注在生物模板表面制取得到具有反形貌的有机硅弹性体模板；再将混合物浇注在上一步骤得到的模板上，得到具有正形貌的有机硅弹性体模板；最后将复合有机材料液体分别浇注在前两步骤得到的模板上，从而得到具有反形貌和正形貌的仿生织构化涂层。该发明以模板法为基础，以压印为主要加工技术，在有机材料上制备了仿生表面，但该方法主要适用于一些有机化合物，无法实现金属材料表面的仿生织构制备。再如名称为“一种高效低成本无污染制备聚合物疏水表面的方法”(专利号：ZL201810463638.7)，其超疏水表面的制备过程如下：通过激光加工设备在模具基片表面进行微结构图案加工，将聚合物薄膜置于模具上，通过超声压印技术进行压印复制，得到疏水表面。该方明以模板法为基础，以超声压印为主要加工技术，在聚合物上制备了疏水表面；但该方法用激光直接加工模具，无法将生物表面织构精确复制到聚合物表面，且无法实现金属材料表面的仿生织构制备。再如名称为“一种仿生表面的制备方法”(专利号：ZL201110448693.7)，其仿生表面制备过程如下：将预处理过的金属用夹具固定在激光冲击设备上，根据需要调节激光脉冲宽度、能量、光斑半径以及运行路径等参数，再进行激光冲击制得仿生表面。该发明以激光冲击表面织构技术制备金属仿生表面，但无法直接将生物表面织构复制到金属表面，且无法制备较为复杂的仿生表面。因此，需要发明一种可以将生物表面的织构精确转移到金属表面的新工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于激光冲击压印技术的仿生表面制备方法，可以在金属表面上制备出与生物原型微织构一致的仿生表面。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于激光冲击压印技术的仿生表面制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：预处理步骤：首先将生物叶片用去离子水超声处理进行清洁，待叶片表面干燥后，用双面胶将其背面固定在玻璃皿内备用；
步骤2：制备得到具有仿生反形貌的聚二甲基硅氧烷(PDMS)模具：将PDMS浇注在玻璃皿上，成型，脱气处理，固化，得到具有仿生反形貌的PDMS模板；
步骤3：制备得到具有仿生正形貌的光刻胶模具：在玻璃片上涂上光刻胶，将步骤2所制得的PDMS模板特征朝下放置在光刻胶所在的位置，使光刻胶充满PDMS模板的间隙；然后进行紫外光照处理，得到具有正形貌的光刻胶模具；
步骤4：在金属试样上制备具有与生物原型微织构一致的仿生表面：在步骤3制得的光刻胶模具上放置待制备仿生表面织构的金属试样，在金属试样上方铺设一层吸收层，在吸收层上方铺设约束层；将金属试样固定在六轴工业机器人的夹具上；利用激光器输出激光束，激光先经过光学装置改变传输方向并聚焦，之后透过约束层被吸收层吸收，产生等离子体爆炸形成冲击波，巨大的冲击压力将金属试样压印至光刻胶模板空隙内；激光光斑按预先设计的加工路径依次冲击，从而制备出仿生表面。
优选地，所述步骤3中，紫外光照处理为使用波长为365nm、功率为10mw的紫外光照射5～15min。
优选地，所述步骤4中，吸收层为黑漆或聚四氟乙烯，作用是吸收激光能量以产生等离子体，形成冲击波。
优选地，所述步骤4中，约束层为水或光学玻璃，以提高激光冲击压力的幅值并延长压力作用时间
更优选地，所述光学玻璃为K9玻璃，K9玻璃具有较高的强度和刚度，冲击效果优于水约束层。
优选地，所述步骤4中，激光器采用高功率调Q型Nd:YAG激光器，激光束能量遵循近平顶分布，即激光光斑内能量分布均匀，以保证冲击压力分布的均匀性。
优选地，所述步骤4中，激光光斑采用方形光斑，更有利于大面积冲击，以避免光斑搭接造成的能量损失。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明提出以激光冲击压印技术制备织构，以光刻技术加工模具的复合工艺，是一种全新的仿生表面制备方法；与现有的仿生表面加工技术相比，本发明采用激光作为主要加工手段，具有可控性高、加工精度高、加工效率好以及对环境友好的优点。
(2)本发明采用激光冲击压印技术为主要加工手段，与激光冲击表面织构技术相比，不受光斑尺寸和形状的限制，可加工织构参数范围更广。
(3)本发明以光刻技术加工压印模具，模具可反复利用，具有成本低、操作简单、效率高等优点。
附图说明
图1是本发明的基于激光冲击压印技术的仿生表面制备方法的工艺流程图；其中，1.生物叶片，2.PDMS模具，3.紫外光，4.光刻胶模具，5.激光光束，6.约束层，7.吸收层，8.金属试样，9.六轴机器人夹具，10.制备得到的具有仿生表面的金属试样；
图2是激光冲击压印技术的工艺图；其中，5.激光冲击光束，6.约束层，7.吸收层，8.金属试样，9.六轴机器人夹具，11.六轴机器人，12.光学装置，13.精密光学隔振平台，14.激光器；
图3是激光冲击压印技术工艺图的局部放大图；其中，4.光刻胶模具，5.激光冲击光束，6.约束层，7.吸收层，8.金属试样，9.六轴机器人夹具，15.光斑扫描路径。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示，本发明提供了一种基于激光冲击压印技术的仿生表面制备方法，具体步骤如下：
步骤1：首先将生物叶片1用去离子水超声处理进行清洁，待叶片表面干燥后，用双面胶将其背面固定在玻璃皿内备用；
步骤2：将PDMS浇注在玻璃皿上，以10:1的质量比对叶片进行成型。在进行脱气处理后，将玻璃皿置于温度为70℃的环境下1h，以加速固化，得到具有仿生反形貌的PDMS模板2；
步骤3：在玻璃片上涂上光刻胶，将步骤2所制得的PDMS模板2特征朝下放置在光刻胶所在的位置，使光刻胶充满PDMS模板2的间隙；为了使光刻胶固化，使用波长为365nm、功率为10mw的紫外光3照射约10min，从而得到具有正形貌的光刻胶模具4；
步骤4：在具有正形貌的光刻胶模具4上放置待制备仿生表面织构的金属试样8，在试样8上方铺设一层吸收层7(如黑漆或聚四氟乙烯)，作用是吸收激光能量以产生等离子体，形成冲击波；在吸收层上方铺设约束层6(如水或光学玻璃)，以提高等激光冲击压力的幅值并延长压力作用时间；将试样8固定在六轴工业机器人夹具9上；利用激光器14输出激光束5，激光5先经过光学装置12改变传输方向并聚焦，之后透过约束层6被吸收层7吸收，产生等离子体爆炸形成冲击波，巨大的冲击压力将金属试样8压印至光刻胶模板4空隙内；激光光斑按预先设计的加工路径15依次冲击，从而制备出仿生表面10。

Claims (6)

1.一种基于激光冲击压印技术的仿生表面制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：预处理步骤：首先将生物叶片(1)用去离子水超声处理进行清洁，待叶片表面干燥后，用双面胶将其背面固定在玻璃皿内备用；
步骤2：制备得到具有仿生反形貌的聚二甲基硅氧烷PDMS模具：将PDMS浇注在玻璃皿上，成型，脱气处理，固化，得到具有仿生反形貌的PDMS模板(2)；
步骤3：制备得到具有仿生正形貌的光刻胶模具：在玻璃片上涂上光刻胶，将步骤2所制得的PDMS模板(2)特征朝下放置在光刻胶所在的位置，使光刻胶充满PDMS模板的间隙；然后进行紫外光(3)照射处理，得到具有正形貌的光刻胶模具(4)；
步骤4：在金属试样上制备具有与生物原型微织构一致的仿生表面：在步骤3制得的光刻胶模具(4)上放置待制备仿生表面织构的金属试样(8)，在金属试样(8)上方铺设一层吸收层(7)，在吸收层上方铺设约束层(6)；将金属试样(8)固定在六轴工业机器人的夹具(9)上；利用激光器(14)输出激光束(5)，激光先经过光学装置(12)改变传输方向并聚焦，之后透过约束层(6)被吸收层(7)吸收，产生等离子体爆炸形成冲击波，巨大的冲击压力将金属试样压印至光刻胶模具(4)空隙内；激光光斑按预先设计的加工路径依次冲击，从而制备出仿生表面(10)；所述激光光斑采用方形光斑。
2.如权利要求1所述的基于激光冲击压印技术的仿生表面制备方法，其特征在于，所述步骤3中，紫外光(3)照射处理为使用波长为365nm、功率为10mw的紫外光照射5～15min。
3.如权利要求1所述的基于激光冲击压印技术的仿生表面制备方法，其特征在于，所述步骤4中，吸收层(7)为黑漆或聚四氟乙烯。
4.如权利要求1所述的基于激光冲击压印技术的仿生表面制备方法，其特征在于，所述步骤4中，约束层(6)为水或光学玻璃。
5.如权利要求4所述的基于激光冲击压印技术的仿生表面制备方法，其特征在于，所述光学玻璃为K9玻璃。
6.如权利要求1所述的基于激光冲击压印技术的仿生表面制备方法，其特征在于，所述步骤4中，激光器(14)采用高功率调Q型Nd:YAG激光器，激光束(5)能量遵循近平顶分布。
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