CN114769848A - 一种条纹状亲疏水异质表面的加工方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光加工技术领域，涉及一种条纹状亲疏水异质表面的加工方法及其应用，采用一次皮秒激光加工方法制备得到。所述方法可以在网状材料表面形成一种条纹状亲疏水异质表面，该表面凸起条纹具有明显的超疏水性，而凹条纹具有一定的亲水特性。使用经过上述方法制备的条纹状亲疏水异质表面可以在燃料电池水管理、冷凝传热强化、水下减阻等方面广泛使用。

Description

一种条纹状亲疏水异质表面的加工方法及其应用
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种条纹状亲疏水异质表面的加工方法及其应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
条纹状亲疏水异质表面在燃料电池水管理。冷凝传热增强、水下减阻等方面均具有潜在应用价值，传统的光刻、反应离子刻蚀、纳米压印等技术制备条纹状亲疏水异质表面效率较低，加工步骤复杂，难以在工业上广泛应用。此外，对于激光加工技术来说，现有技术中需要多次调控激光扫描间距、扫描速度、能量密度和光斑直径等相关参数的过程，即先使整个表面具有超疏水性质，再制备出超亲水微坑或微槽阵列结构，以此得到亲疏水异质表面结构。
因此，如何采用一步激光加工过程即可制备得到亲疏水异质表面结构仍存在一定挑战。
发明内容
为了克服上述问题，本发明设计了一种条纹状亲疏水异质表面的加工方法及其应用，能够有效解决上述技术问题。
基于上述研究成果，本发明提供以下技术方案：
本发明第一方面，提供一种条纹状亲疏水异质表面的加工方法，采用一次皮秒激光加工方法制备得到。
本发明第二方面，提供上述加工方法制备得到的条纹状亲疏水异质表面。
本发明第三方面，提供一种上述加工方法所使用的加工系统，所述系统包括激光器，所述激光器依次连接光闸、能量衰减器和三维扫描振镜。
本发明第四方面，提供上述条纹状亲疏水异质表面在燃料电池水管理、冷凝传热增强、水下减阻方面的应用。
本发明的一个或多个具体实施方式至少取得了以下技术效果：
本发明实现了采用一步激光加工方法即可制备得到条纹状亲疏水异质表面，具体表现为：利用皮秒激光加工方法，使其表面自组装形成周期性条纹结构，所述皮秒激光可以在材料表面形成表面极化微元，并与之干涉促进周期性条纹结构的形成，所述皮秒激光还可以产生表面纳米颗粒及表面冲击波，在冲击波的带动下，纳米颗粒可以自发形成周期性条纹结构，所述周期性条纹结构具有亲疏水交替性质，凸起条纹具有明显的超疏水性，而凹条纹具有一定的亲水特性。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施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为本发明实施例1中所使用的皮秒激光加工系统；
其中，1、激光器，2、光闸，3、能量衰减器，4、三维扫描振镜。
图2为本发明实施例1-3中使用所述加工方法制备得到的条纹状亲疏水异质铜(a)、(b)，不锈钢(c)、(d)，和镍(e)、(f)表面结构的SEM谱图和EDX能谱中氧元素分布图；
图3为本发明实施例1-3中条纹状亲疏水异质表面亲疏水示意图及实测表面亲疏水情况；(a)为实施例1，(b)为实施例2，(c)为实施例3；
图4为本发明实施例1中制备得到的不同表面形状的条纹状亲疏水异质表面；
图5为本发明对比例1中以铜片实心材料为基体制备得到的结构；
图6为本发明对比例2中以不锈钢实心材料为基体制备得到的结构；
图7为本发明对比例3中以聚丙烯实心材料为基体制备得到的结构。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术无法实现一步激光加工即可制备得到亲疏水异质表面结构。因此，本发明提出了一种条纹状亲疏水异质表面的加工方法，有效解决了上述技术问题。
本发明第一方面，提供一种条纹状亲疏水异质表面的加工方法，采用一次皮秒激光加工方法制备得到。
在一种典型实施方式中，所述激光波长为1000-1200nm，重复频率为100-1000kHz，脉宽为1-20皮秒，优选的，所述激光波长为1064nm，重复频率为100KHz，脉宽为15皮秒。
在一种典型实施方式中，所述基体材料为网状材料，所述网状材料为金属材料或非金属材料，进一步，所述金属材料为铜、镍或不锈钢，非金属材料为聚丙烯或玻璃。
优选的，激光能量为100μJ～350μJ。能量太小不足以烧蚀产生足够大冲击波和足够多的纳米颗粒，能量太高容易将铜网烧坏。
发明人研究发现，只有在网状基体材料上，才能采用一步皮秒激光加工方法制备得到条纹状亲疏水异质表面，而实心材料无法实现，反映出了一步皮秒激光加工方法对基体材料的选择性作用。
在一种典型实施方式中，所述扫描间隔为50μm～300μm，间隔太小或太大均无法观测到明显的周期性条纹，优选的，所述扫描间隔为150μm。
在一种典型实施方式中，所述离焦量为-10000～10000μm，优选的，所述离焦量为0～2000μm。
在一种典型实施方式中，所述扫描速度为100～1000mm/s，优选的，所述扫描速度为750mm/s。
本发明第二方面，提供上述加工方法制备得到的条纹状亲疏水异质表面。
本发明第三方面，提供上述加工方法所使用的加工系统，所述系统包括激光器，所述激光器依次连接光闸、能量衰减器和三维扫描振镜。
本发明第四方面，提供上述条纹状亲疏水异质表面在燃料电池水管理、冷凝传热增强、水下减阻方面的应用。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
如图1所示，利用本申请所述加工方法的加工系统包括激光器1，所述激光器1依次连接光闸2、能量衰减器3和三维扫描振镜4，激光器1输出激光光束，利用光闸进行光路切换，随后在能量衰减器的作用下衰减为设定的激光参数，然后照射在振镜上，经过振镜折射的光束形成聚集光束，用于加工形成条纹状亲疏水异质表面。
具体的，采用网状铜材料作为基体材料，设定激光波长为1064nm，重复频率为100KHz，脉宽为15皮秒，激光能量为100μJ，扫描间隔为150μm，扫描速度为750mm/s，离焦量为1000μm。
如图2(a)和(b)所示分别为在网状铜材料上制备得到的亲疏水异质表面的SEM谱图和EDX能谱中的氧元素分布图，从中可以看出得到了凹凸条纹交替存在的异质表面。
从图3(a)的表面浸润性示意图可以看出，本发明所述结构表面凸起条纹具有明显的超疏水性，而凹条纹具有一定的亲水特性，进而能够实现亲疏水交替作用。
从图4中可以看出，本发明在网状铜基体材料上可以制备得到不同表面形状的条纹状亲疏水异质表面，具有普适性和广泛的应用性。
实施例2
利用实施例1所述加工系统，采用网状不锈钢材料作为基体材料，设定激光波长为1064nm，重复频率为100KHz，脉宽为15皮秒，激光能量为200μJ，扫描间隔为250μm，扫描速度为350mm/s，离焦量为2000μm。
如图2(c)和(d)所示分别为在网状不锈钢材料上制备得到的亲疏水异质表面的SEM谱图和EDX能谱中的氧元素分布图，从中可以看出得到了凹凸条纹交替存在的异质表面。
从图3(b)的表面浸润性示意图可以看出，本发明所述结构表面凸起条纹具有明显的超疏水性，而凹条纹具有一定的亲水特性，进而能够实现亲疏水交替作用。
实施例3
利用实施例1所述加工系统，采用网状镍材料作为基体材料，设定激光波长为1064nm，重复频率为100KHz，脉宽为15皮秒，激光能量为300μJ，扫描间隔为100μm，扫描速度为900mm/s，离焦量为500μm。
如图2(e)和(f)所示分别为在网状镍材料上制备得到的亲疏水异质表面的SEM谱图和EDX能谱中的氧元素分布图，从中可以看出得到了凹凸条纹交替存在的异质表面。
从图3(c)的表面浸润性示意图可以看出，本发明所述结构表面凸起条纹具有明显的超疏水性，而凹条纹具有一定的亲水特性，进而能够实现亲疏水交替作用。
对比例1
利用实施例1所述加工系统，采用实心铜片材料作为基体材料，设定激光波长为1064nm，重复频率为100KHz，脉宽为15皮秒，激光能量为100μJ，扫描间隔为150μm，扫描速度为750mm/s，离焦量为1000μm。
制备得到的表面结构如图5所示，经过接触角测试得到，整个面接触角低于20°，平均为13.5°±1.7°，无法实现亲疏水的交替作用。
对比例2
利用实施例1所述加工系统，采用实心不锈钢材料作为基体材料，设定激光波长为1064nm，重复频率为100KHz，脉宽为15皮秒，激光能量为200μJ，扫描间隔为250μm，扫描速度为350mm/s，离焦量为2000μm。
制备得到的表面结构如图6所示，经过接触角测试得到，整个面接触角低于10°，平均为8.2°±2.7°，无法实现亲疏水的交替作用。
对比例3
利用实施例1所述加工系统，采用实心聚丙烯材料作为基体材料，设定激光波长为1064nm，重复频率为100KHz，脉宽为15皮秒，激光能量为300μJ，扫描间隔为100μm，扫描速度为900mm/s，离焦量为500μm。
制备得到的表面结构如图7所示，经过接触角测试得到，整个面接触角均大于150°，平均153.4°±2.2°，无法实现亲疏水的交替作用。
综上，本发明提供了一种条纹状亲疏水异质表面加工的方法，该方法利用第一激光对网状材料表面进行加工，通过调节扫描过程中的激光能量、扫描间隔、离焦量等参数可以在网状材料表面形成一种条纹状亲疏水异质表面，该表面凸起条纹具有明显的超疏水性，而凹条纹具有一定的亲水特性。
本发明提供了一种条纹状亲疏水异质表面加工的方法，第一激光作用于材料表面后，激发表面产生等离极化激元，其与入射光波干涉促使表面自组装形成周期性条纹。此外，第一激光作用于材料表面后，产生纳米颗粒，这些纳米颗粒在表面冲击波的带动下也会形成周期性条纹。使用经过上述方法制备的条纹状亲疏水异质表面可以在燃料电池水管理、冷凝传热强化、水下减阻等方面广泛使用。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，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 (10)

1.一种条纹状亲疏水异质表面的加工方法，其特征在于，采用一次皮秒激光加工方法制备得到。
2.根据权利要求1所述条纹状亲疏水异质表面的加工方法，其特征在于，所述激光波长为1000-1200nm，重复频率为100-1000kHz，脉宽为1-20皮秒，优选的，所述激光波长为1064nm，重复频率为100KHz，脉宽为15皮秒。
3.根据权利要求1所述条纹状亲疏水异质表面的加工方法，其特征在于，基体材料为网状材料，所述网状材料为金属材料或非金属材料，进一步，所述金属材料为铜、镍或不锈钢，非金属材料为聚丙烯或玻璃。
4.根据权利要求1所述条纹状亲疏水异质表面的加工方法，其特征在于，激光能量为100μJ～350μJ。
5.根据权利要求1所述条纹状亲疏水异质表面的加工方法，其特征在于，扫描间隔为50μm～300μm；优选的，所述扫描间隔为150μm。
6.根据权利要求1所述条纹状亲疏水异质表面的加工方法，其特征在于，离焦量为-10000～10000μm，优选的，所述离焦量为0～2000μm。
7.根据权利要求1所述条纹状亲疏水异质表面的加工方法，其特征在于，扫描速度为100～1000mm/s，优选的，所述扫描速度为750mm/s。
8.权利要求1-7所述加工方法制备得到的条纹状亲疏水异质表面。
9.一种条纹状亲疏水异质表面的加工系统，其特征在于，所述系统包括激光器，所述激光器依次连接光闸、能量衰减器和三维扫描振镜。
10.权利要求8所述条纹状亲疏水异质表面在燃料电池水管理、冷凝传热增强、水下减阻方面的应用。
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