CN113059324A - 铝合金飞秒激光清洗-超疏水微纳表面一步法制备方法 - Google Patents

铝合金飞秒激光清洗-超疏水微纳表面一步法制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铝合金飞秒激光清洗－超疏水微纳表面一步法制备方法，通过飞秒激光加工设备对铝合金表面进行加工，所述飞秒激光加工设备包括飞秒激光发射器、衰减器、反射镜、扫描振镜、物镜和铝合金板材，该制备方法包括以下加工步骤：步骤一、预处理；步骤二、激光清洗和刻蚀；步骤三、水接触实验。本发明的有益效果是，本发明对铝合金表面采用的飞秒激光一步法制备微纳表面，一步法的制备方法即飞秒激光分三步完成，第一步即激光清洗，第二、三步即激光刻蚀，分别先后采用20％、50％、100％的激光能量对铝合金表面进行清洗及刻蚀，分三次清洗及刻蚀后的铝合金微纳表面具有不同深度的织构，此微纳制备的织构呈花瓣状孔洞形，对其疏水性有较大提升。

Description

铝合金飞秒激光清洗-超疏水微纳表面一步法制备方法
技术领域
本发明涉及领域，特别是一种铝合金飞秒激光清洗－超疏水微纳表面一步法制备方法。
背景技术
铝合金在汽车、航天、民用以及高铁等领域有着广泛的应用，铝合金表面的氧化膜延长了其使用寿命。随着科技的发展，对铝合金微纳表面的超疏水性质的应用越来越重视。随着对铝合金微纳表面精度要求不断提高，使用普通的车削技术不能满足其铝合金表面超疏水需求。
当铝合金在汽车或高铁等交通工具上使用时，如果铝合金表面具有超疏水性时，就能更好的疏水，起到防护的作用。而对于像石油管道等一些埋于地下或暴露于空气中的铝合金设备，不仅需要做到防土壤腐蚀和大气腐蚀，还需要避免与水大量接触，产生电化学腐蚀。因此在铝合金的微纳表面需要做到疏水的效果，以此来减少对铝合金管道的腐蚀。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种铝合金飞秒激光清洗－超疏水微纳表面一步法制备方法。
实现上述目的本发明的技术方案为，铝合金飞秒激光清洗－超疏水微纳表面一步法制备方法，通过飞秒激光加工设备对铝合金表面进行加工，所述飞秒激光加工设备包括飞秒激光发射器、衰减器、反射镜、扫描振镜、物镜和铝合金板材，该制备方法包括以下加工步骤：
步骤一、预处理：将铝合金板材表面进行打磨抛光后，再用酒精和超声波进行清洗，然后放置在飞秒激光的加工位置处；
步骤二、激光清洗和刻蚀：
A.飞秒激光发射器发射激光束，采用较小的激光能量对铝合金板材表面进行清洗，清洗出一个直径较大的圆；
B.飞秒激光发射器同时发射四道激光光束，采用中等激光能量在铝合金板材表面刻蚀四个向外切的小圆，四个圆的尺寸相同，且都处于步骤A中所述的大圆内；
C.采用最大能量的激光能量对铝合金板材表面进行刻蚀，此时只有一个激光光斑辐射铝合金板材表面，此时激光刻蚀是以步骤A中所述的较大圆的圆心处，向外刻蚀与步骤B中的小圆尺寸相同，得到的铝合金板材表面制备出小尺度的精细微纳结构，此时微纳织构表面呈花瓣状孔洞形；
步骤三、水接触实验：当水接触到铝合金板材表面的微纳织构后，接触角大于150°，即为合格。
作为对本发明的进一步补充，所述飞秒激光发射器与所述衰减器、反射镜处于同一高度，所述反射镜与所述衰减器呈45度夹角放置。
作为对本发明的进一步补充，所述反射镜与所述扫描振镜、物镜和铝合金板材处于同一竖向平面内。
作为对本发明的进一步补充，所述步骤二A中的飞秒激光采用20％的激光能量，此时飞秒激光的光斑直径为70um。
作为对本发明的进一步补充，所述步骤二B中的飞秒激光采用50％的激光能量，此时飞秒激光的光斑直径为50um。
作为对本发明的进一步补充，所述步骤二C中采用100％的激光能量，此时飞秒激光的光斑直径为30um。
作为对本发明的进一步补充，所述飞秒激光的波长为800nm，脉宽为100fs，重复频率为10kHz，光斑搭接率为66.7％。
其有益效果在于：
(1)本发明采用飞秒激光对铝合金的表面进行一步法制备微纳表面，具体是采用三次不同功率的激光进行清洗、刻蚀等步骤，从而使得铝合金的微纳表面具有超疏水的性质，铝合金微纳表面能够显著提高其疏水性，进而延长铝合金的使用寿命，显著降低了铝合金在湿润环境下减少发生电化学腐蚀的概率，增加了超疏水性铝合金的应用范围，飞秒激光制备微纳表面的过程中，使用的飞秒激光不但可以控制激光功率、光斑直径，还可以控制飞秒激光清洗的路径，提高铝合金微纳表面织构的均一性。
(2)本发明对铝合金表面采用的飞秒激光一步法制备微纳表面，一步法的制备方法即飞秒激光分三步完成，第一步即激光清洗，第二、三步即激光刻蚀，分别先后采用20％、50％、100％的激光能量对铝合金表面进行清洗及刻蚀，分三次清洗及刻蚀后的铝合金微纳表面具有不同深度的织构，此微纳制备的织构呈花瓣状孔洞形，对其疏水性有较大提升，在一些军工或者航天领域需要铝合金板材超疏水的微纳表面时，可以使用本发明提供的方法对铝合金结构件进行深层次的加工，从而达到超疏水的使用要求。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中飞秒激光清洗铝合金板材表面示意图。
图中，1、飞秒激光发射器；2、衰减器；3、反射镜；4、扫描振镜；5、物镜；6、铝合金板材。
具体实施方式
本发明所要提供的技术是利用飞秒激光对铝合金表面进行清洗，从而使得铝合金的微纳表面具有超疏水的性质，该制备方法需要用到的加工设备有飞秒激光发射器1、衰减器2、反射镜3、扫描振镜4、物镜5和铝合金板材6，如图1所示，其中飞秒激光发射器1与衰减器2、反射镜3处于同一高度，反射镜3与衰减器2呈45度夹角放置，反射镜3与扫描振镜4、物镜5和铝合金板材6处于同一竖向平面内，飞秒激光发射器1发射的激光，在衰减器2的作用下，调控脉冲能量，然后在反射镜3作用下，激光光路方向被改变，通过的激光束在扫描振镜4和物镜5的作用下，对铝合金板材6的表面进行一定轨迹的清洗刻蚀加工。
飞秒激光不仅清洗了铝合金表面沉积的各种氧化物，还实现了微纳多尺度表面结构的制备；飞秒激光第一次清洗采用的是20％的激光能量清洗，第二次清洗采用50％的激光能量清洗，第三次清洗采用100％的激光能量清洗。飞秒激光经过三次不同能量对铝合金表面清洗之后，得到不同深度的微纳织构，当水接触到铝合金微纳织构后，接触角大于150°，制备出具有超疏水的微纳织构。
本发明所提及的一步法制备微纳表面指的是：通过三次不同激光能量的飞秒激光清洗及刻蚀，使得铝合金表面具有超疏水的微纳表面，其具体方法如下，铝合金飞秒激光清洗－超疏水微纳表面一步法制备方法，该制备方法包括以下加工步骤：
步骤一、预处理：将铝合金板材6表面进行打磨抛光后，再用酒精和超声波进行清洗，然后放置在飞秒激光的加工位置处；
步骤二、激光清洗和刻蚀：
A.飞秒激光发射器1发射激光束，采用20％的激光能量对铝合金板材6表面进行清洗，清洗出一个直径较大的圆，此时飞秒激光的光斑直径为70um；
B.飞秒激光发射器1同时发射四道激光光束，采用50％的激光能量在铝合金板材6表面刻蚀四个相外切的小圆，四个圆的尺寸相同，且都处于步骤A中所述的大圆内，此时飞秒激光的光斑直径为50um；
C.采用100％的激光能量对铝合金板材6表面进行刻蚀，此时只有一个激光光斑辐射铝合金板材6表面，且飞秒激光的光斑直径为30um，此时激光刻蚀是以步骤A中所述的较大圆的圆心处，向外刻蚀与步骤B中的小圆尺寸相同，得到的铝合金板材6表面制备出小尺度的精细微纳结构，此时微纳织构表面呈花瓣状孔洞形；
步骤三、水接触实验：当水接触到铝合金板材6表面的微纳织构后，接触角大于150°，即为合格。
如图2所示，飞秒激光清洗铝合金表面，包括三次清洗及刻蚀铝合金表面，三次清洗及刻蚀表面采用的工艺参数不同，不同的顺序产生不同的微纳织构表面，飞秒激光清洗后的铝合金微纳织构表面，还包括与水的接触角试验，当水与铝合金微纳织构表面接触时，轻轻拍打，水滴滑落，表明铝合金板材6的超疏水性能良好。
所述的飞秒激光的功率及各相参数是：飞秒激光的波长为800nm，脉宽为100fs，重复频率为10kHz，光斑搭接率是66.7％，三次飞秒激光清洗及刻蚀铝合金表面，得到铝合金表面制备出小尺度的精细微纳结构，整个铝合金表面采用一步法即连续三次进行飞秒激光清洗及刻蚀方式实施，不仅清洗了铝合金表面的氧化物，又通过三次不同光斑直径的飞秒激光清洗表面得到具有不同深度的微纳织构，铝合金表面的微纳织构遇水时，与水的接触角大于150°，以此使得飞秒激光清洗后的铝合金微纳织构表面达到超疏水的要求，该制备方法也适用于制备其他超疏液体微纳结构或超亲液体微纳结构。
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.铝合金飞秒激光清洗－超疏水微纳表面一步法制备方法，通过飞秒激光加工设备对铝合金表面进行加工，所述飞秒激光加工设备包括飞秒激光发射器(1)、衰减器(2)、反射镜(3)、扫描振镜(4)、物镜(5)和铝合金板材(6)，其特征在于，该制备方法包括以下加工步骤：
步骤一、预处理：将铝合金板材(6)表面进行打磨抛光后，再用酒精和超声波进行清洗，然后放置在飞秒激光的加工位置处；
步骤二、激光清洗和刻蚀：
A.飞秒激光发射器(1)发射激光束，采用较小的激光能量对铝合金板材(6)表面进行清洗，清洗出一个直径较大的圆；
B.飞秒激光发射器(1)同时发射四道激光光束，采用中等激光能量在铝合金板材(6)表面刻蚀四个相外切的小圆，四个圆的尺寸相同，且都处于步骤A中所述的大圆内；
C.采用最大能量的激光能量对铝合金板材(6)表面进行刻蚀，此时只有一个激光光斑辐射铝合金板材(6)表面，此时激光刻蚀是以步骤A中所述的较大圆的圆心处，向外刻蚀与步骤B中的小圆尺寸相同，得到的铝合金板材(6)表面制备出小尺度的精细微纳结构，此时微纳织构表面呈花瓣状孔洞形；
步骤三、水接触实验：当水接触到铝合金板材(6)表面的微纳织构后，接触角大于150°，即为合格。
2.根据权利要求1所述的铝合金飞秒激光清洗－超疏水微纳表面一步法制备方法，其特征在于，所述飞秒激光发射器(1)与所述衰减器(2)、反射镜(3)处于同一高度，所述反射镜(3)与所述衰减器(2)呈45度夹角放置。
3.根据权利要求1所述的铝合金飞秒激光清洗－超疏水微纳表面一步法制备方法，其特征在于，所述反射镜(3)与所述扫描振镜(4)、物镜(5)和铝合金板材(6)处于同一竖向平面内。
4.根据权利要求1所述的铝合金飞秒激光清洗－超疏水微纳表面一步法制备方法，其特征在于，所述步骤二A中的飞秒激光采用20％的激光能量，此时飞秒激光的光斑直径为70um。
5.根据权利要求1所述的铝合金飞秒激光清洗－超疏水微纳表面一步法制备方法，其特征在于，所述步骤二B中的飞秒激光采用50％的激光能量，此时飞秒激光的光斑直径为50um。
6.根据权利要求1所述的铝合金飞秒激光清洗－超疏水微纳表面一步法制备方法，其特征在于，所述步骤二C中采用100％的激光能量，此时飞秒激光的光斑直径为30um。
7.根据权利要求1所述的铝合金飞秒激光清洗－超疏水微纳表面一步法制备方法，其特征在于，所述飞秒激光的波长为800nm，脉宽为100fs，重复频率为10kHz，光斑搭接率为66.7％。
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