CN113210872A - 一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法 - Google Patents

一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113210872A
CN113210872A CN202110564332.2A CN202110564332A CN113210872A CN 113210872 A CN113210872 A CN 113210872A CN 202110564332 A CN202110564332 A CN 202110564332A CN 113210872 A CN113210872 A CN 113210872A
Authority
CN
China
Prior art keywords
titanium alloy
laser
scanning
laser etching
cleaning
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110564332.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113210872B (zh
Inventor
庄园
刘建宇
杨涛
汪远
曾俊彦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southwest Jiaotong University
Original Assignee
Southwest Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southwest Jiaotong University filed Critical Southwest Jiaotong University
Priority to CN202110564332.2A priority Critical patent/CN113210872B/zh
Publication of CN113210872A publication Critical patent/CN113210872A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113210872B publication Critical patent/CN113210872B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
    • B23K26/355—Texturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B23K26/0624—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses using ultrashort pulses, i.e. pulses of 1ns or less
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0626—Energy control of the laser beam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/362—Laser etching
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/40—Removing material taking account of the properties of the material involved
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/60—Preliminary treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/14—Titanium or alloys thereof

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • ing And Chemical Polishing (AREA)

Abstract

一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法，步骤如下：S1、对钛合金表面进行预处理；S2、激采用飞秒激光在钛合金表面进行激光刻蚀，在钛合金表面形成双尺度微纳结构，即在钛合金表面形成排列有序的周期性微米级类乳突状结构，类乳突状结构上密集分布有纳米级颗粒棒状结构，激光刻蚀后清洗去除钛合金表面烧蚀的熔融粒子或杂质粒；激光刻蚀的具体参数为：激光脉宽为275fs，单脉冲能量为3.1‑3.6μJ，频率为50‑900kHz，扫描速度为50‑900mm/s，扫描间距为10‑50μm，扫描次数为10‑30次，扫描路径为网格状；S3、将激光刻蚀后的钛合金放置于130‑170℃的保温炉中保温7.5h‑8.5h，取出后清洗去除钛合金表面的烧蚀碎片或污染物。本发明方法可简单高效地实现钛合金仿生超疏水表面的制备。

Description

一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法
技术领域
本发明涉及一种利用飞秒激光刻蚀结合时效处理快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法，属于金属基材表面改性技术领域。
背景技术
钛合金作为二十世纪五十年代发展起来的合金，广泛应用于航空航天、海洋船舶、汽车、医疗等领域。钛合金有很多优质特点：如钛合金密度小仅为钢的十分之六，生物相容性好，还具有低弹性模量和高硬度，低密度和较高的比强度，较好的低温性能和高温性能。钛合金在应用时难免会遇到灰尘堆积、结冰覆雪、生物粘附与腐蚀环境等问题。如果通过一定的表面处理在钛合金表面制备超疏水表面，可以使得钛合金表面有防水、防雾、防结冰、自清洁等基本功能，从而使钛合金得到更广范围的应用。
在自然界中，有许多具有层次结构的植物表面被认为是自清洁表面，如荷叶，表面有许多规则的微小突起，表层还有一层纳米级蜡质的棒状和微米级别的乳突，这些微纳结构和表层的疏水物质共同作用下，水滴落在上面会呈现完美的球形，水滴落在荷叶上不会停留，在滚落荷叶的时候还会带走表面的灰尘和污垢使荷叶表面保持清洁。
研究表明表面粗糙结构和低表面能为实现的必备条件。因此，基于这两条路径，仿生制备超疏水表面的方法层出不穷，包括化学刻蚀法、阳极氧化法、气相沉积法、机械加工法、溶胶凝胶法、模板法等方法。但是这些方法普遍工艺繁琐，或是用到浓酸浓碱对操作者以及环境造成不利影响。因此，亟需一种环境友好，易实现且工艺简单的制备钛合金仿生超疏水表面的方法。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法。该方法首先通过飞秒激光刻蚀钛合金表面形成微纳米结构，再结合时效处理降低钛合金表面的表面能，实现钛合金仿生超疏水表面的制备，整个制备过程简单高效，易于实现且环境友好。
本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法，其步骤如下：
S1、预处理：对钛合金表面进行预处理；
S2、激光刻蚀：采用飞秒激光在预处理后的钛合金表面进行激光刻蚀，在钛合金表面形成双尺度微纳结构，即在钛合金表面形成排列有序的周期性微米级类乳突状结构，类乳突状结构上密集分布有纳米级颗粒棒状结构，激光刻蚀后清洗去除钛合金表面烧蚀的熔融粒子或杂质粒；
所述激光刻蚀的具体参数为：激光脉宽为275fs，单脉冲能量为3.1-3.6μJ，频率为50-900kHz，扫描速度为50-900mm/s，扫描间距为10-50μm，扫描次数为10-30次，扫描路径为网格状；
S3、时效处理：将激光刻蚀后的钛合金放置于130-170℃的箱式保温炉中保温7.5h-8.5h，取出后吹扫去除钛合金表面的烧蚀碎片或污染物。
本发明的原理是：
本发明采用飞秒激光，通过控制激光参数，在钛合金表面形成双尺度微纳结构的原理是：首先，本发明中飞秒激光脉宽为275fs，其脉冲具有极短的持续时间，单脉冲能量范围达到3.1-3.6μJ，那么峰值功率可达1100000w左右，极高的峰值功率几乎可以使得任何材料发生完全电离。申请人发现，在3.1-3.6μJ的单脉冲能量下，结合50-900khz的频率范围和50-900mm/s的扫描速度，扫描过程中，钛合金表面持续吸收激光能量，热扩散加速，并在晶格之间形成了温度梯度，从而使得能量可以不断地向钛合金内部进一步传递、沉积；当能量沉积到某一固定的值时，达到钛合金的烧蚀阈值，快速的使钛合金表面熔化沉积并成型，配合本申请的激光光斑、扫描间距和扫描路径，在钛合金表面形成双尺度微纳米结构。具体形成机理是：由于激光脉冲强度呈高斯分布，也就是激光光斑边缘能量强度弱于中心位置，中心位置激光能量密度很大，产生冲击波将钛合金表面材料去除，在扫描路径上形成沟槽，从而形成周期性微米级类乳突状结构。边缘部分激光照射到钛合金表面时，在本申请激光参数范围之下，激光在空气和钛合金界面上激发出的等离子体与入射激光相互干涉，加上熔融物的沉积凝固，最终在钛合金表面的类乳突状结构上形成了纳米级颗粒棒状结构。总之，钛合金表面微纳结构是在特定激光参数范围下，由激光与钛合金表面相互作用，扫描路径上钛合金的剥蚀去除以及产生的熔融物沉积凝固的结果。
激光刻蚀钛合金表面后，产生大量氧化物，主要为二氧化钛。二氧化钛表面具有大量的极性位点，使其表面具有高度的非平衡和表面极性。较大的极性可以促进环境水蒸气在二氧化钛表面的解离作用和吸附，形成羟基，所以激光刻蚀后的表面具有超亲水性。通过本发明的时效处理后，钛合金表面上的一部分羟基被去除，其它羟基将空气中的一些非极性有机链如C-H，C-C键等吸收到激光刻蚀表面上。申请人选择130-170℃的时效温度范围和7.5h-8.5h的保温时间可保证钛合金表面极性位点大量减少，快速降低激光刻蚀后的钛合金表面能，总表面能量降低而带来超疏水性。
综上，本发明首先通过飞秒激光刻蚀在钛合金表面形成微米-纳米相结合的多尺度荷叶仿生结构，再通过时效处理降低钛合金表面能，最终在钛合金表面形成超疏水表面。低表面能的双尺度微纳米结构具备超疏水性的原理是：最理想的疏水状态是液滴与表面以cassie态接触，液滴受到结构中气体的支撑作用完全与表面结构相分离，此状态下液滴的接触角、滞后角以及滚动角都很低，更利于实现表面自清洁。本发明在钛合金表面制备的双尺度微纳米结构中的气体密集分布，难以被液滴所挤出，因而可以产生更多更稳定的支撑力使得液滴与表面长时间保持cassie态接触。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过飞秒激光刻蚀的方法快速在钛合金表面形成了双尺度微纳结构，操作过程工艺简单，易实现，对环境无污染，具有广泛应用价值。本发明使用飞秒激光刻蚀，结合时效处理，制备的超疏水表面超疏水性能优良且持久，赋予钛合金表面防水、防雾、防结冰、自清洁等功能。
进一步，本发明所述步骤S1对钛合金表面进行预处理包括对钛合金表面进行粗磨，精磨，抛光和清洗。
进一步，本发明所述步骤S2中激光刻蚀所采用的激光波长为1030nm，激光光斑大小为30μm。
进一步，本发明所述步骤S2中激光刻蚀的具体参数为：单脉冲能量为3.2-3.4μJ，频率为400-800kHz，扫描速度为400-700mm/s，扫描间距10-30μm，扫描次数为10-30次。
试验验证，采用上述激光参数范围匹配合理，能够快速精准的制备微纳结构，制备效率高。
进一步，本发明所述步骤S2中激光刻蚀后清洗去除钛合金表面烧蚀的熔融粒子或杂质粒的具体清洗方法包括先用酒精超声清洗钛合金表面5-10min，再用压缩空气干燥5-10s。
进一步，本发明所述步骤S3中将激光刻蚀后的钛合金放置于150℃的箱式保温炉中保温8h。
进一步，本发明所述步骤S3中去除钛合金表面的烧蚀碎片或污染物的具体方法为压缩空气吹洗5-10s。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明步骤S2飞秒激光刻蚀的激光扫描路径示意图。
图2为本发明实施例一经过步骤S2飞秒激光刻蚀后的钛合金表面形貌扫描电镜图。
图3为本发明实施例一制备的钛合金仿生超疏水表面X方向微纳结构轮廓深度图。
图4为本发明实施例一表面的钛合金仿生超疏水表面Y方向微纳结构轮廓深度图。
图5为本发明实施例一制备的钛合金仿生超疏水表面的静态接触角示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案做进一步详细描述。
一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法，其步骤如下：
S1、预处理：对钛合金表面进行预处理，包括对钛合金表面进行粗磨，精磨，抛光和清洗；
S2、激光刻蚀：采用飞秒激光在预处理后的钛合金表面进行激光刻蚀，在钛合金表面形成双尺度微纳结构，即在钛合金表面形成排列有序的周期性微米级类乳突状结构，类乳突状结构上密集分布有纳米级颗粒棒状结构，激光刻蚀后清洗去除钛合金表面烧蚀的熔融粒子或杂质粒；
所述激光刻蚀的具体参数为：激光脉宽为275fs，单脉冲能量为3.1-3.6μJ，频率为50-900kHz，扫描速度为50-900mm/s，扫描间距为10-50μm，扫描次数为10-30次，扫描路径为网格状；图1本发明飞秒激光刻蚀的激光扫描路径示意图，将钛合金表面横向记为X方向，纵向记为Y方向，左图(a)为Y方向的扫描路径，右图(b)为在Y方向扫描基础上的X方向扫描路径，最后在钛合金表面形成网格状的扫描路径；
S3、时效处理：将激光刻蚀后的钛合金放置于130-170℃的箱式保温炉中保温7.5h-8.5h，取出后吹扫去除钛合金表面的烧蚀碎片或污染物。
优选的，本发明所述步骤S2中激光刻蚀所采用的激光波长为1030nm，激光光斑大小为30μm。
优选的，本发明所述步骤S2中激光刻蚀的具体参数为：单脉冲能量为3.2-3.4μJ，频率为400-800kHz，扫描速度为400-700mm/s，扫描间距10-30μm，扫描次数为10-30次。
优选的，本发明所述步骤S2中激光刻蚀后清洗去除钛合金表面烧蚀的熔融粒子或杂质粒的具体清洗方法包括先用酒精超声清洗钛合金表面5-10min，再用压缩空气干燥5-10s。
优选的，所述步骤S3中将激光刻蚀后的钛合金放置于150℃的箱式保温炉中保温8h。
优选的，本发明所述步骤S3中去除钛合金表面的烧蚀碎片或污染物的具体方法为压缩空气吹扫5-10s。
实施例一
一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法，其步骤如下：
S1、预处理：对钛合金表面进行预处理，包括对钛合金表面进行粗磨，精磨，抛光和清洗；
S2、激光刻蚀：采用飞秒激光在预处理后的钛合金表面进行激光刻蚀，在钛合金表面形成双尺度微纳结构，即在钛合金表面形成排列有序的周期性微米级类乳突状结构，类乳突状结构上密集分布有纳米级颗粒棒状结构，激光刻蚀后清洗去除钛合金表面烧蚀的熔融粒子或杂质粒；
所述激光刻蚀的具体参数为：激光波长1030nm，激光光斑大小为30μm，激光脉宽为275fs，单脉冲能量为3.3μJ，频率为600kHz，扫描速度为600mm/s，扫描间距为10μm，扫描次数为20次，扫描路径为网格状；
S3、时效处理：将激光刻蚀后的钛合金放置于150℃的箱式保温炉中保温8h，取出后吹扫去除钛合金表面的烧蚀碎片或污染物。
图2为本实施例经过步骤S2飞秒激光刻蚀后的钛合金表面形貌扫描电镜图。左图(a)显示激光刻蚀后钛合金表面为排列有序的周期性类乳突状结构，右图(b)为左图(a)的部分放大图，显示类乳突状结构上密集分布着纳米级颗粒棒状结构，尺寸为几十纳米到几百纳米之间，微米级的类乳突结构以及纳米级颗粒棒状结构共同构成了微纳双尺度的仿生结构。
图3和图4为本实施例制备的钛合金仿生超疏水表面X方向和Y方向的微纳结构轮廓深度图。，将钛合金表面横向记为X方向，纵向记为Y方向，由图3和图4可知，可见钛合金仿生超疏水表面Y方向为深度25μm左右，且深度呈周期性重复，周期约为40μm；钛合金仿生超疏水表面X方向为深度21μm左右，也呈周期性重复，周期约为40μm；也即，本实施例制备的钛合金仿生超疏水表面为排列有序的约为40μm×40μm的正方形周期性类乳突状结构。
图5为本实施例制备的钛合金仿生超疏水表面的静态接触角示意图。从图中可以看出，本实施例制备的钛合金表面具有超疏水性，在接触角测定仪上测定本例制备的钛合金表面的静态接触角，静态接触角高达151.2°，达到超疏水表面要求。
实施例二
一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法，其步骤如下：
S1、预处理：对钛合金表面进行预处理，包括对钛合金表面进行粗磨，精磨，抛光和清洗；
S2、激光刻蚀：采用飞秒激光在预处理后的钛合金表面进行激光刻蚀，在钛合金表面形成双尺度微纳结构，即在钛合金表面形成排列有序的周期性微米级类乳突状结构，类乳突状结构上密集分布有纳米级颗粒棒状结构，激光刻蚀后清洗去除钛合金表面烧蚀的熔融粒子或杂质粒；
所述激光刻蚀的具体参数为：激光波长1030nm，激光光斑大小为30μm，激光脉宽为275fs，单脉冲能量为3.2μJ，频率为500kHz，扫描速度为500mm/s，扫描间距为10μm，扫描次数为10次，扫描路径为网格状；
S3、时效处理：将激光刻蚀后的钛合金放置于150℃的箱式保温炉中保温8h，取出后吹扫去除钛合金表面的烧蚀碎片或污染物。
在接触角测定仪上测定本例制备的钛合金表面的静态接触角，静态接触角为150.5°，达到超疏水表面要求。
实施例三
本实施例与实施例二基本相同，唯一不同的是步骤S2的激光刻蚀参数。
本例中步骤S2所述激光刻蚀的具体参数为：激光波长1030nm，激光光斑大小为30μm，激光脉宽为275fs，单脉冲能量为3.4μJ，频率为700kHz，扫描速度为700mm/s，扫描间距为10μm，扫描次数为30次，扫描路径为网格状。
在接触角测定仪上测定本例制备的钛合金表面的静态接触角，静态接触角为151.2°，达到超疏水表面要求。
实施例四
本实施例与实施例二基本相同，唯一不同的是步骤S2的激光刻蚀参数。
本例中步骤S2所述激光刻蚀的具体参数为：激光波长1030nm，激光光斑大小为30μm，激光脉宽为275fs，单脉冲能量为3.2μJ，频率为500kHz，扫描速度为600mm/s，扫描间距为20μm，扫描次数为30次，扫描路径为网格状。
在接触角测定仪上测定本例制备的钛合金表面的静态接触角，静态接触角为150.3°，达到超疏水表面要求。
实施例五
本实施例与实施例二基本相同，唯一不同的是步骤S2的激光刻蚀参数。
本例中步骤S2所述激光刻蚀的具体参数为：激光波长1030nm，激光光斑大小为30μm，激光脉宽为275fs，单脉冲能量为3.2μJ，频率为400kHz，扫描速度为700mm/s，扫描间距为30μm，扫描次数为20次，扫描路径为网格状。
在接触角测定仪上测定本例制备的钛合金表面的静态接触角，静态接触角为150.9°，达到超疏水表面要求。
实施例六
本实施例与实施例二基本相同，唯一不同的是步骤S2的激光刻蚀参数。
本例中步骤S2所述激光刻蚀的具体参数为：激光波长1030nm，激光光斑大小为30μm，激光脉宽为275fs，单脉冲能量为3.3μJ，频率为600kHz，扫描速度为400mm/s，扫描间距为30μm，扫描次数为30次，扫描路径为网格状。
在接触角测定仪上测定本例制备的钛合金表面的静态接触角，静态接触角为151°，达到超疏水表面要求。
实施例七
本实施例与实施例二基本相同，唯一不同的是步骤S2的激光刻蚀参数。
本例中步骤S2所述激光刻蚀的具体参数为：激光波长1030nm，激光光斑大小为30μm，激光脉宽为275fs，单脉冲能量为3.1μJ，频率为400kHz，扫描速度为700mm/s，扫描间距为50μm，扫描次数为20次，扫描路径为网格状。
在接触角测定仪上测定本例制备的钛合金表面的静态接触角，静态接触角为150.7°，达到超疏水表面要求。
实施例八
本实施例与实施例二基本相同，唯一不同的是步骤S2的激光刻蚀参数。
本例中步骤S2所述激光刻蚀的具体参数为：激光波长1030nm，激光光斑大小为30μm，激光脉宽为275fs，单脉冲能量为3.6μJ，频率为50kHz，扫描速度为50mm/s，扫描间距为20μm，扫描次数为20次，扫描路径为网格状。
在接触角测定仪上测定本例制备的钛合金表面的静态接触角，静态接触角为150.5°，达到超疏水表面要求。
实施例九
本实施例与实施例二基本相同，唯一不同的是步骤S2的激光刻蚀参数。
本例中步骤S2所述激光刻蚀的具体参数为：激光波长1030nm，激光光斑大小为30μm，激光脉宽为275fs，单脉冲能量为3.2μJ，频率,900kHz，扫描速度为900mm/s，扫描间距为10μm，扫描次数为30次，扫描路径为网格状。
在接触角测定仪上测定本例制备的钛合金表面的静态接触角，静态接触角为150.2°，达到超疏水表面要求。
实施例十
本实施例与实施例二基本相同，唯一不同的是步骤S2的激光刻蚀参数。
本例中步骤S2所述激光刻蚀的具体参数为：激光波长1030nm，激光光斑大小为30μm，激光脉宽为275fs，单脉冲能量为3.4μJ，频率为800kHz，扫描速度为700mm/s，扫描间距为10μm，扫描次数30次，扫描路径为网格状。
在接触角测定仪上测定本例制备的钛合金表面的静态接触角，静态接触角为150.6°，达到超疏水表面要求。
下面对实施例一至十的激光刻蚀参数和最终制备的钛合金仿生超疏水表面在接触角测定仪上测定的静态接触角进行总结，见表一；上述实施例所采用的激光波长，激光光斑大小和激光脉宽均相同，没有总结在表一中。
表一：不同激光刻蚀参数下钛合金表面的疏水性
实施例 单脉冲能量/μj 频率/khz 扫描速度/mm/s 扫描间距/μm 扫描次数 接触角
实施例一 3.3 600 600 10 20 151.2°
实施例二 3.2 500 500 10 10 150.5°
实施例三 3.4 700 700 10 30 151.2°
实施例四 3.2 500 600 20 30 150.3°
实施例五 3.2 500 700 30 20 150.9°
实施例六 3.3 600 400 30 30 151.0°
实施例七 3.1 400 700 50 20 150.7°
实施例八 3.6 50 50 20 20 150.5°
实施例九 3.2 900 900 10 30 150.2°
实施例十 3.4 800 700 10 30 150.6°
实施例十一
一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法，其步骤如下：
S1、预处理：对钛合金表面进行预处理，包括对钛合金表面进行粗磨，精磨，抛光和清洗；
S2、激光刻蚀：采用飞秒激光在预处理后的钛合金表面进行激光刻蚀，在钛合金表面形成双尺度微纳结构，即在钛合金表面形成排列有序的周期性微米级类乳突状结构，类乳突状结构上密集分布有纳米级颗粒棒状结构，激光刻蚀后清洗去除钛合金表面烧蚀的熔融粒子或杂质粒；
所述激光刻蚀的具体参数为：激光波长1030nm，激光光斑大小为30μm，激光脉宽为275fs，单脉冲能量为3.3μJ，频率为600kHz，扫描速度为600mm/s，扫描间距为10μm，扫描次数为20次，扫描路径为网格状；
S3、时效处理：将激光刻蚀后的钛合金放置于130℃的箱式保温炉中保温8.5h，取出后吹洗去除钛合金表面的烧蚀碎片或污染物。
实施例十二
一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法，其步骤如下：
S1、预处理：对钛合金表面进行预处理，包括对钛合金表面进行粗磨，精磨，抛光和清洗；
S2、激光刻蚀：采用飞秒激光在预处理后的钛合金表面进行激光刻蚀，在钛合金表面形成双尺度微纳结构，即在钛合金表面形成排列有序的周期性微米级类乳突状结构，类乳突状结构上密集分布有纳米级颗粒棒状结构，激光刻蚀后清洗去除钛合金表面烧蚀的熔融粒子或杂质粒；
所述激光刻蚀的具体参数为：激光波长1030nm，激光光斑大小为30μm，激光脉宽为275fs，单脉冲能量为3.3μJ，频率为600kHz，扫描速度为600mm/s，扫描间距为10μm，扫描次数为20次，扫描路径为网格状；
S3、时效处理：将激光刻蚀后的钛合金放置于170℃的箱式保温炉中保温7.5h，取出后清洗去除钛合金表面的烧蚀碎片或污染物。

Claims (7)

1.一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法，其步骤如下：
S1、预处理：对钛合金表面进行预处理；
S2、激光刻蚀：采用飞秒激光在预处理后的钛合金表面进行激光刻蚀，在钛合金表面形成双尺度微纳结构，即在钛合金表面形成排列有序的周期性微米级类乳突状结构，类乳突状结构上密集分布有纳米级颗粒棒状结构，激光刻蚀后清洗去除钛合金表面烧蚀的熔融粒子或杂质粒；
所述激光刻蚀的具体参数为：激光脉宽为275fs，单脉冲能量为3.1-3.6μJ，频率为50-900kHz，扫描速度为50-900mm/s，扫描间距为10-50μm，扫描次数为10-30次，扫描路径为网格状；
S3、时效处理：将激光刻蚀后的钛合金放置于130-170℃的箱式保温炉中保温7.5h-8.5h，取出后吹扫去除钛合金表面的烧蚀碎片或污染物。
2.根据权利要求1所述的一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法，其特征在于：所述步骤S1对钛合金表面进行预处理包括对钛合金表面进行粗磨，精磨，抛光和清洗。
3.根据权利要求1所述的一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法，其特征在于：所述步骤S2中激光刻蚀所采用的激光波长为1030nm，激光光斑大小为30μm。
4.根据权利要求1所述的一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法，其特征在于：所述步骤S2中激光刻蚀的具体参数为：单脉冲能量为3.2-3.4μJ，频率为400-800kHz，扫描速度为400-700mm/s，扫描间距10-30μm，扫描次数为10-30次。
5.根据权利要求1所述的一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法，其特征在于：所述步骤S2中激光刻蚀后清洗去除钛合金表面烧蚀的熔融粒子或杂质粒的具体清洗方法包括先用酒精超声清洗钛合金表面5-10min，再用压缩空气干燥5-10s。
6.根据权利要求1所述的一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法，其特征在于：所述步骤S3中将激光刻蚀后的钛合金放置于150℃的箱式保温炉中保温8h。
7.根据权利要求1所述的一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法，其特征在于：所述步骤S3中去除钛合金表面的烧蚀碎片或污染物的具体方法为压缩空气吹扫5-10s。
CN202110564332.2A 2021-05-24 2021-05-24 一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法 Active CN113210872B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110564332.2A CN113210872B (zh) 2021-05-24 2021-05-24 一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110564332.2A CN113210872B (zh) 2021-05-24 2021-05-24 一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113210872A true CN113210872A (zh) 2021-08-06
CN113210872B CN113210872B (zh) 2022-07-12

Family

ID=77097943

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110564332.2A Active CN113210872B (zh) 2021-05-24 2021-05-24 一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113210872B (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113798679A (zh) * 2021-10-27 2021-12-17 佛山市南海区广工大数控装备协同创新研究院 一种基于激光微织构的非晶合金功能化表面制备方法
CN113798665A (zh) * 2021-09-17 2021-12-17 中国科学院上海光学精密机械研究所 金属表面圆凹坑的激光加工方法
CN114012271A (zh) * 2021-10-08 2022-02-08 深圳泰德激光技术股份有限公司 金属超疏水表面制备方法及激光加工设备
CN114406485A (zh) * 2022-02-25 2022-04-29 西南交通大学 一种氮气氛围下耐磨超疏水抗菌表面的制备方法
CN114799217A (zh) * 2022-06-28 2022-07-29 吉林大学 基于飞秒激光加工实现增材制造NiTi合金表面超疏水的方法
CN114833442A (zh) * 2022-06-10 2022-08-02 中国农业大学 一种洁具陶瓷仿生超疏水/超低粘附表面的制备方法
CN115054726A (zh) * 2022-05-13 2022-09-16 华南理工大学 一种近红外响应抗菌骨修复材料及其制备方法与应用
CN115786652A (zh) * 2023-01-09 2023-03-14 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种本征超疏水材料、其制备方法及应用

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104439708A (zh) * 2014-11-18 2015-03-25 清华大学 一种超疏水高粘附金属表面及其制备方法
CN104625415A (zh) * 2014-12-17 2015-05-20 中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所 飞秒激光制备仿生超疏水微纳表面的方法及装置
CN104911519A (zh) * 2015-05-28 2015-09-16 湖北工业大学 一种利用超短脉冲激光制备钛合金超疏水抗霜冻表面的方法
CN104985328A (zh) * 2015-05-28 2015-10-21 湖北工业大学 一种利用短脉冲激光制备钛合金超疏水抗霜冻表面的方法
US20150311177A1 (en) * 2014-04-25 2015-10-29 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Chip packaging method and chip package using hydrophobic surface
CN107740148A (zh) * 2017-10-27 2018-02-27 吉林大学 一种在铜基表面不加修饰快速制备仿生超疏水表面的方法
CN112207010A (zh) * 2020-10-12 2021-01-12 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 自清洁金属表面及其制备方法和制备装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150311177A1 (en) * 2014-04-25 2015-10-29 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Chip packaging method and chip package using hydrophobic surface
CN104439708A (zh) * 2014-11-18 2015-03-25 清华大学 一种超疏水高粘附金属表面及其制备方法
CN104625415A (zh) * 2014-12-17 2015-05-20 中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所 飞秒激光制备仿生超疏水微纳表面的方法及装置
CN104911519A (zh) * 2015-05-28 2015-09-16 湖北工业大学 一种利用超短脉冲激光制备钛合金超疏水抗霜冻表面的方法
CN104985328A (zh) * 2015-05-28 2015-10-21 湖北工业大学 一种利用短脉冲激光制备钛合金超疏水抗霜冻表面的方法
CN107740148A (zh) * 2017-10-27 2018-02-27 吉林大学 一种在铜基表面不加修饰快速制备仿生超疏水表面的方法
CN112207010A (zh) * 2020-10-12 2021-01-12 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 自清洁金属表面及其制备方法和制备装置

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113798665A (zh) * 2021-09-17 2021-12-17 中国科学院上海光学精密机械研究所 金属表面圆凹坑的激光加工方法
CN113798665B (zh) * 2021-09-17 2024-04-12 中国科学院上海光学精密机械研究所 金属表面圆凹坑的激光加工方法
CN114012271A (zh) * 2021-10-08 2022-02-08 深圳泰德激光技术股份有限公司 金属超疏水表面制备方法及激光加工设备
CN113798679A (zh) * 2021-10-27 2021-12-17 佛山市南海区广工大数控装备协同创新研究院 一种基于激光微织构的非晶合金功能化表面制备方法
CN113798679B (zh) * 2021-10-27 2024-01-05 佛山市南海区广工大数控装备协同创新研究院 一种基于激光微织构的非晶合金功能化表面制备方法
CN114406485A (zh) * 2022-02-25 2022-04-29 西南交通大学 一种氮气氛围下耐磨超疏水抗菌表面的制备方法
CN115054726A (zh) * 2022-05-13 2022-09-16 华南理工大学 一种近红外响应抗菌骨修复材料及其制备方法与应用
CN114833442A (zh) * 2022-06-10 2022-08-02 中国农业大学 一种洁具陶瓷仿生超疏水/超低粘附表面的制备方法
CN114799217A (zh) * 2022-06-28 2022-07-29 吉林大学 基于飞秒激光加工实现增材制造NiTi合金表面超疏水的方法
CN114799217B (zh) * 2022-06-28 2022-09-06 吉林大学 基于飞秒激光加工实现增材制造NiTi合金表面超疏水的方法
CN115786652A (zh) * 2023-01-09 2023-03-14 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种本征超疏水材料、其制备方法及应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN113210872B (zh) 2022-07-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113210872B (zh) 一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法
Kwon et al. Fabrication of a super-hydrophobic surface on metal using laser ablation and electrodeposition
CN109609950B (zh) 一种自清洁的水滴单向滚动超疏水表面的制备方法
Zhang et al. Achieving of bionic super-hydrophobicity by electrodepositing nano-Ni-pyramids on the picosecond laser-ablated micro-Cu-cone surface
Nayak et al. Spontaneous formation of nanospiked microstructures in germanium by femtosecond laser irradiation
US20040000540A1 (en) Laser texturing of surfaces for biomedical implants
CN110408934A (zh) 一种具有强化冷凝效果的超亲水-超疏水表面及制备方法
CN113308657B (zh) 一种纳秒激光辐照制备超亲水非晶合金表面的方法
CN114273783A (zh) 基于纳秒激光的非晶合金大面积超疏水表面制备方法
CN113798679A (zh) 一种基于激光微织构的非晶合金功能化表面制备方法
Zhang et al. Femtosecond laser direct weaving bioinspired superhydrophobic/hydrophilic micro-pattern for fog harvesting
CN114561611B (zh) 一种具有仿荷叶超疏水金属表面的涂层材料及其热喷涂制备方法
CN114211121A (zh) 超疏水表面的飞秒激光烧蚀-表面覆膜的复合加工方法
CN115464258A (zh) 一种一步制备具有耐久性可修复的超疏水表面方法
CN116140938B (zh) 一种宏微复合阵列耐磨超疏水表面的加工方法和金属件
Li et al. Bioinspired superwetting surfaces for fog harvesting fabricated by picosecond laser direct ablation
CN110653559A (zh) 一种具有高效滴状凝结的金属表面及其制备方法
Long et al. A universal approach to recover the original superhydrophilicity of micro/nano-textured metal or metal oxide surfaces
CN113070576B (zh) 纳秒激光辐照制备非晶合金表面微纳米周期性结构的方法
CN108555308B (zh) 一种真空雾化装置及制备3d打印粉末的方法
CN109702346A (zh) 一种提高界面结合强度的激光表面前处理方法
CN112007919B (zh) 一种不锈钢表面脉冲激光清洗形成非晶纳米晶改性层的方法
Gabdrakhmanov et al. Preparation of metal surfaces for application of functional coatings
CN114799532B (zh) 激光辐照结合蜡封抛光制备高质量非晶合金微凹坑的方法
CN109732196A (zh) 一种改性黄铜表面及其制备方法与应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant