CN113308657B - 一种纳秒激光辐照制备超亲水非晶合金表面的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纳秒激光辐照制备超亲水非晶合金表面的方法，属于激光表面改性技术领域。通过在空气氛围内对非晶合金表面进行纳秒激光辐照，在非晶合金表面制备微纳米微观结构，提升表面亲水性。进一步地，控制辐照点间距以及激光脉冲的辐照时间和能量密度，制备超亲水非晶合金表面。所述的微纳米结构包括褶皱结构和纳米颗粒。本发明提供的方法简单、高效、实用性强，制备过程不受环境与样品尺寸影响，可应用于制备超亲水非晶合金表面。

Description

一种纳秒激光辐照制备超亲水非晶合金表面的方法
技术领域
本发明涉及激光表面改性技术领域，特别涉及一种纳秒激光辐照制备超亲水非晶合金表面的方法，可制备超亲水非晶合金表面。
背景技术
非晶合金由于具有长程无序结构，呈现出比常规晶态材料更为优异的力学、物理和化学性能，如高的硬度、强度、弹性，较低的弹性模量，优良的软磁性能，良好的耐磨性和耐腐蚀性等，受到科学界与工业界持续关注。超亲水表面的应用很广，尤其是在自清洁方面已经有商业化产品出现，并且超亲水表面在光学、生物医学、强化传热表面的设计等方面均有一定程度的应用。目前已经有研究人员提出了调控非晶合金表面润湿性的方法，比如：化学刻蚀法和热塑成型法。但以上两种方法都有着各自的缺点，化学刻蚀法是利用腐蚀性化学试剂处理非晶合金表面得到不规则的微纳米结构来获得非晶合金亲水性表面，制备过程中使用的化学试剂大多会对环境产生危害，不利于大规模生产。热塑成型法制备的非晶合金表面质量好，可以人为控制表面的微观结构形状，但需要单独生产模具，生产工艺复杂且制作成本高。
相比之下，激光辐照法作为一种新颖的材料表面处理方法，被用来调控固体表面润湿性，目前已经取得了一些效果，例如，边玉成等人在2020年的Laser&.OptoelectronicsProgress第57卷第11期提出使用飞秒激光在钢片上制备微纳米结构，从而得到超亲水表面。但是飞秒激光器过于昂贵，难以应用于工业生产中，而纳秒激光器价格相对较低，适合于工业应用。专利CN 109732195 A中公开了一种钛合金超疏水-超亲水表面及其制备方法，该方法利用纳秒脉冲激光扫描将预处理后的钛合金表面加工成超亲水表面。然而，近年来少有使用纳秒激光辐照非晶合金表面制备超亲水表面的实例，考虑到非晶合金具有良好的物理和化学性能，并且超亲水非晶合金表面具有较为广泛的应用前景，基于纳秒激光辐照发展超亲水非晶合金表面制备方法是迫切需要的，具有重要的实际应用价值。
发明内容
发明的目的在于提供一种纳秒激光辐照制备超亲水非晶合金表面的方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明为非晶合金表面制备超亲水结构提供了一种可行方法，通过控制激光参数，可以在非晶合金表面形成微纳米结构，再通过调整辐照点阵间距，制备超亲水非晶合金表面。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
纳秒激光辐照制备超亲水非晶合金表面的方法，通过在空气氛围内对非晶合金表面进行纳秒激光辐照，在非晶合金表面制备微纳米结构，提升表面亲水性。进一步地，控制辐照点阵间距以及激光脉冲的辐照时间和能量密度，制备超亲水非晶合金表面，包括以下步骤：
步骤1)将抛光后的非晶合金样品使用无水乙醇进行超声清洗、干燥，得到预处理的非晶合金样品；
步骤2)利用纳秒激光器在空气氛围内对非晶合金表面进行单点扫描，通过改变激光辐照参数，在非晶合金表面得到微纳米结构，使用对应激光辐照参数在非晶合金表面加工多点阵列，得到超亲水非晶合金表面。
步骤1)中所述的超声清洗的清洗温度为50-60℃，清洗时间为4-6min，并在空气中自然干燥。
步骤2)中所述纳秒激光的激光频率为200KHz，激光波长为1064nm，脉冲宽度为37ns，激光斑点直径为42μm。
步骤2)所述的激光脉冲的持续时间为0.2-5ms，激光能量密度为2.08-3.89J/cm2。
步骤2)所述的微纳米多层结构包括微米级褶皱结构和纳米级颗粒结构。
步骤2)所述中，进行非晶合金表面多点阵列微纳米微观结构制备时，相邻两激光辐照点的间距为90-120μm。
本发明的有益效果在于：本发明的一种纳秒激光辐照制备超亲水非晶合金表面的方法，可以通过改变纳秒激光辐照点阵间距来控制非晶合金表面的亲水性能，从而制备超亲水非晶合金表面。此外，本发明中使用的纳秒激光具有加工成本低、效率高并且加工方法简单的特点，在空气环境下进行激光辐照不会产生有毒物质，绿色环保，本发明对于非晶合金材料的应用开发有极大参考意义。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的纳秒激光辐照非晶合金实验流程图以及微纳米结构图像；
图2为本发明的纳秒激光辐照非晶合金表面单点微纳米结构的三维光学图像；
图3为本发明的不同脉冲时间下纳秒激光辐照非晶合金表面单点微纳米结构的SEM图像；
图4为改变纳秒激光辐照点阵间距得到的非晶合金表面接触角的变化曲线；
图5为纳秒激光辐照点阵间距为120nm时超亲水非晶合金表面的三维形貌图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。参见图1所示，本发明的纳秒激光辐照制备超亲水非晶合金表面的方法，通过在空气氛围内对非晶合金表面进行纳秒激光辐照，在非晶合金表面形成微纳米结构。进一步的，调整纳秒激光辐照点阵两点间距，最终制得超亲水非晶合金表面，具体步骤包括：
1)将抛光后的非晶合金样品使用无水乙醇进行超声清洗、干燥，得到预处理的非晶合金样品；
2)利用纳秒激光器在空气氛围内对非晶合金表面进行单点扫描，通过改变激光辐照参数，在非晶合金表面得到微纳米结构，使用对应激光辐照参数在非晶合金表面加工多点阵列，得到超亲水非晶合金表面。
进一步的，步骤2)中，所用的纳秒激光辐照工艺参数为：激光频率为200KHz，激光波长为1064nm，脉冲宽度为37ns，激光的最大单脉冲能量为0.05mJ，激光斑点直径为42μm，激光脉冲持续时间为0.2-5ms，激光能量密度为2.08-3.89J/cm2。相邻两激光辐照点的间距为90-120μm。其中激光频率、脉宽、辐照时间、激光能量密度、多点阵列间距等参数可以通过计算机软件方便地调节；实验在室温空气中进行。
实施例
下面以在典型的锆基非晶合金(Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5)表面制备超亲水表面为例，结合以下实施例进一步对比说明本发明的实施过程和有益效果。
将尺寸为20mm×20mm，厚度为10mm的非晶合金样品先进行抛光，使用无水乙醇进行超声清洗、干燥，得到预处理的非晶合金样品。其中清洗温度为50℃，单次清洗时间为5min。
在空气环境下，对上述经过预处理的非晶合金样品表面进行单点纳秒激光辐照，纳秒激光辐照的参数为：激光能量密度为2.99J/cm2，激光脉冲持续时间为5ms。利用扫描电镜与激光共聚焦显微镜观察单点辐照后形成的褶皱结构和纳米颗粒，结构如图1和图2所示。
图3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别为激光脉冲时间为0.2ms、0.5ms、0.8ms、1ms、3ms、5ms的纳秒激光辐照单点SEM图像，由图像看出，纳秒激光脉冲时间超过3ms会出现明显的褶皱结构，而纳秒激光脉冲时间超过1ms后会出现纳米颗粒。
在空气环境下，对上述经过预处理的非晶合金样品表面进行点阵纳秒激光辐照，点阵间距为90-270μm，如图4所示，点阵间距变化导致点阵辐照非晶合金表面接触角变化。由图4可以看出点阵间距小于120μm时，可以得到超亲水非晶合金表面。图5为点阵间距为120μm的点阵辐照非晶合金表面的三位形貌图。
从试验结果可以看出，利用本发明提出的方法，通过在空气环境下对锆基非晶合金表面进行纳秒激光辐照可以制备超亲水表面。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种纳秒激光辐照制备超亲水非晶合金表面的方法，其特征在于：通过在空气氛围内对非晶合金表面进行纳秒激光辐照，在非晶合金表面制备包括褶皱结构和纳米颗粒的微纳米结构，提升表面亲水性；控制辐照点间距以及激光脉冲的辐照时间和能量密度，制备超亲水非晶合金表面，包括以下步骤：
步骤1）将抛光后的非晶合金样品使用无水乙醇进行超声清洗、干燥，得到预处理的非晶合金样品；
步骤2）利用纳秒激光器在空气氛围内对非晶合金表面进行单点辐照，调整激光器参数，所用的激光器参数为：激光频率为200kHz，激光波长为1064nm，脉冲宽度为37ns，激光光斑直径为42µm，激光辐照时间为3-5ms，激光能量密度为2.08-3.89J/cm2，在非晶合金表面得到包括褶皱结构和纳米颗粒的微纳米结构；使用上述激光辐照参数在非晶合金表面加工多点阵列，相邻两激光辐照点的间距为90-120µm，得到超亲水非晶合金表面。
2.根据权利要求1所述的纳秒激光辐照制备超亲水非晶合金表面的方法，其特征在于：步骤1）中所述的超声清洗的清洗温度为50-60℃，清洗时间为4-6min，并在空气中自然干燥。
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