一种利用短脉冲激光制备不锈钢超疏水自清洁表面的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用短脉冲激光制备不锈钢超疏水自清洁表面的方法，属于金属基材表面改性技术领域。该方法首先将不锈钢样品进行抛光预处理，然后在盛有去离子水的超声波清洗仪中清洗样品表面，清洗干净后，冷风吹干或晾干，再利用激光加工技术，采用短脉冲激光器调节好相关的工艺参数后对样品进行表面处理，在样品表面加工出无数的微结构，加工完成后，将经过加工后的样品放入电热干燥箱内烘烤，得到表面具有微米级乳突状结构的不锈钢超疏水表面，该表面具备自清洁的功能和优异的耐摩擦、耐腐蚀性能。本发明专利技术的制备方法工艺简单，操作方便，效率高，能耗少，成本低，绿色环保，易于实现工业应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属基材表面改性
，涉及一种不锈钢基材表面改性技术，更具体地说，本专利技术涉及一种利用短脉冲激光制备不锈钢超疏水自清洁表面的方法。
技术介绍
自然界当中有很多植物花叶表面具有非常突出的自洁功能，例如玫瑰花等植物的花瓣表面就具有非常突出的超疏水性，这些性能在材料防腐蚀、抗氧化等方面有非常广泛的应用前景，由此引起了金属表面浸润性在相关领域的应用。金属材料的浸润性是金属表面很重要的一个特征，材料的微观结构以及组成成分共同影响着材料表面的浸润性。超疏水表面的实质是拥有极低的浸润性，而要获得低浸润性主要取决于两个基本因素，即固体表面的微观几何结构和表面化学成分。判断表面的疏水性或低润湿性通常用瞬时接触角或滚动角作为判定准则：当水滴在固体表面上，接触角大于90°时，称为疏水表面；其接触角超过150°，滚动角小于10°时，则被称为超疏水性表面。304不锈钢材料由于其出色的防腐蚀性以及其他优异的性能，被广泛地应用于机械行业，医疗行业，电子电气行业等行业。304不锈钢超疏水表面技术在先进制造业和国防工业当中有着非常重要的作用。用激光技术加工304不锈钢表面，使304不锈钢表面形成自清洁的超疏水表面，非常具有应用前景。制备金属超疏水表面的方法有很多，主要的方法是在材料表面构造一层粗糙的微结构，然后在这层微结构上加上低表面能的物质。形成粗糙微结构的主流方法有阳极氧化法，纳秒材料涂层法，化学刻蚀法，激光刻蚀法等。阳极氧化法就是将多孔氧化铝凝胶浸入沸水当中，然后将升华的材料和铝石或者硅石混合，为了有效地获得超疏水表面，还需要用低表面能物质对表面进行必要的修饰，加工的效率并不高。而激光加工法是在材料表面形态高度一致的微结构，改善不锈钢的表面形貌实现材料表面超疏水自清洁要求。相比化学腐蚀方法，不但加工的速度快，还不需要在材料表面加一层修饰层，大大地提高了加工效率，而且没有任何环境污染。相对于飞秒激光加工不锈钢材料，加工效率高而且成本低，适合大规模工业化应用。申请号为201310079939.7的专利公开了一种铝合金仿生超疏水表面的制备方法，首先以无水乙醇清洗铝合金，然后在铝合金表面进行激光加工，在试样表面加工出无数微尺度的弹坑状结构，再将试样浸入化学刻蚀溶液中，使试样表面的形貌特征发生改变，但该方法未完全突破传统化学蚀刻的表面处理工艺，采用激光加工工艺后还进一步利用了化学刻蚀，且将经过化学刻蚀后的铝合金试样放入含有DTS的甲苯溶液中进行修饰，在其表面逐渐形成低表面能的薄膜，该处理工艺复杂，且使用了高毒致癌物质甲苯，容易造成环境污染。申请号为201410657627.4的专利公开了一种超疏水高粘附金属表面及其制备方法，通过高功率皮秒或飞秒激光在金属表面制备类玫瑰花表面微观结构的周期性微纳米结构，再通过低自由能物质的表面修饰，实现了超疏水高粘附金属表面的制备，该方法采用低表面能物质对表面进行必要的修饰，加工效率低；申请号为200910183588.8的专利公开了一种仿生金属超润湿跨尺度结构设计方法与制备方法，该方法通过复杂的超亲水理论设计，将待处理样品置于高真空室中，分别在不同角度下进行两次扫描，最终获得接近自然生物表面形貌的跨尺度微结构，但是该方法需严格控制各项工艺参数，处理成本过高，完全不适合工业化大规模生产。综上所述，亟待开发出一种工艺简单，制备效率高，适用于产业化应用，不产生任何环境污染且一次性实现金属基材表面超疏水性而无需经过任何化学工艺处理的方法，是目前科研工作者亟待解决的技术问题。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种工艺简单，制备效率高、绿色环保的不锈钢超疏水自清洁表面及其制备方法。本专利技术的方法可在各种尺寸和不同形状的不锈钢材料表面获得长期稳定的、接触角大于150°、滚动角小于10°的超疏水表面，同时制得的表面还具有出色的耐摩擦耐腐蚀性能。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：一种利用短脉冲激光制备不锈钢超疏水自清洁表面的方法，所述方法包括如下步骤：步骤一，将待处理的不锈钢表面进行抛光预处理，得到表面抛光后的不锈钢样品；步骤二，将步骤一所述表面抛光后的不锈钢样品放在盛有去离子水的超声波清洗仪中清洗，清洗干净后，将所述不锈钢样品表面用冷风吹干或室温自然晾干，得到洁净的不锈钢样品；步骤三，利用激光加工技术，采用短脉冲激光器调节好相关的工艺参数后对步骤二所述得到的洁净不锈钢样品表面进行激光扫描处理，在样品表面加工出无数的微结构；所述激光扫描采用振镜系统进行光束扫描，振镜扫描的速度为0.1mm/s-30m/s，激光的通断及振镜系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定；或所述激光扫描采用多棱镜系统进行光束扫描，多棱镜扫描的速度为1m/s-800m/s，激光的通断及多棱镜系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定；或所述激光扫描使用运动平台系统实现，将光束固定，样品相对光束运动，平台运动的速度为0.1mm/s-3m/s，激光的通断、平台运动轨迹和速度均由计算机程序控制和设定；步骤四，将步骤三所述得到的表面经过激光加工处理后的不锈钢样品放入恒温恒湿电热干燥箱内烘烤，即得到所述不锈钢超疏水自清洁表面；其中，步骤三所述的短脉冲激光器波长小于1550nm，平均功率小于80W，所述激光加工参数为：脉宽大于10ns，单脉冲能量小于1.03mJ。进一步地，上述技术方案中所述的不锈钢优选为304不锈钢。进一步地，上述技术方案中步骤三所述短脉冲激光器的重复频率为70kHz-1MHz，所述脉宽为10ns-500ns。进一步优选地，所述短脉冲激光器的脉宽为20ns-240ns。进一步优选地，所述短脉冲激光器的波长为1064nm，所述脉宽为240ns，所述单脉冲能量范围为0.35mJ-0.65mJ。更进一步优选地，所述单脉冲能量为0.61mJ。进一步优选地，所述短脉冲激光器的波长为1064nm，所述脉宽为20ns，所述单脉冲能量范围为0.1mJ-0.15mJ。更进一步优选地，所述短脉冲激光器的重复频率为100kHz-550kHz，所述短脉冲激光的扫描速度为200mm/s-1100mm/s。进一步地，上述技术方案步骤四中所述电热干燥箱内的压力为普通大气压，湿度为40％-60％RH，温度为100℃-250℃，所述样品烘烤的时间为2-8小时，所述电热干燥箱内的温度误差为±1℃。更进一步优选地，所述恒温恒湿电热干燥箱内的湿度为45％RH，温本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用短脉冲激光制备不锈钢超疏水自清洁表面的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：步骤一，将待处理的不锈钢表面进行抛光预处理，得到表面抛光后的不锈钢样品；步骤二，将步骤一所述表面抛光后的不锈钢样品放在盛有去离子水的超声波清洗仪中清洗，清洗干净后，将所述不锈钢样品表面用冷风吹干或室温自然晾干，得到洁净的不锈钢样品；步骤三，利用激光加工技术，采用短脉冲激光器调节好相关的工艺参数后对步骤二所述得到的洁净不锈钢样品表面进行激光扫描处理，在样品表面加工出无数的微结构；所述激光扫描采用振镜系统进行光束扫描，振镜扫描的速度为0.1mm/s‑30m/s，激光的通断及振镜系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定；或所述激光扫描采用多棱镜系统进行光束扫描，多棱镜扫描的速度为1m/s‑800m/s，激光的通断及多棱镜系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定；或所述激光扫描使用运动平台系统实现，将光束固定，样品相对光束运动，平台运动的速度为0.1mm/s‑3m/s，激光的通断、平台运动轨迹和速度均由计算机程序控制和设定；步骤四，将步骤三所述得到的表面经过激光加工处理后的不锈钢样品放入恒温恒湿电热干燥箱内烘烤，即得到所述不锈钢超疏水自清洁表面；其中，步骤三所述的短脉冲激光器波长小于1550nm，平均功率小于80W，所述激光加工参数为：脉宽大于10ns，单脉冲能量小于1.03mJ。...

【技术特征摘要】
1.一种利用短脉冲激光制备不锈钢超疏水自清洁表面的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤一，将待处理的不锈钢表面进行抛光预处理，得到表面抛光后的不锈钢样品；
步骤二，将步骤一所述表面抛光后的不锈钢样品放在盛有去离子水的超声波清洗仪中清洗，清洗干净后，将所述不锈钢样品表面用冷风吹干或室温自然晾干，得到洁净的不锈钢样品；
步骤三，利用激光加工技术，采用短脉冲激光器调节好相关的工艺参数后对步骤二所述得到的洁净不锈钢样品表面进行激光扫描处理，在样品表面加工出无数的微结构；
所述激光扫描采用振镜系统进行光束扫描，振镜扫描的速度为0.1mm/s-30m/s，激光的通断及振镜系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定；
或所述激光扫描采用多棱镜系统进行光束扫描，多棱镜扫描的速度为1m/s-800m/s，激光的通断及多棱镜系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定；
或所述激光扫描使用运动平台系统实现，将光束固定，样品相对光束运动，平台运动的速度为0.1mm/s-3m/s，激光的通断、平台运动轨迹和速度均由计算机程序控制和设定；
步骤四，将步骤三所述得到的表面经过激光加工处理后的不锈钢样品放入恒温恒湿电热干燥箱内烘烤，即得到所述不锈钢超疏水自清洁表面；
其中，步骤三所述的短脉冲激光器波长小于1550nm，平均功率小于80W，所述激光加工参数为：脉宽大于10ns，单脉冲能量小于1.03mJ。
2.如权利要求1所述的一种利用短脉冲激光制备不锈钢超疏水自清洁表面的方法，其特征在于：所述的不锈钢为304不锈钢。
3.如权利要求1或2所述的一种利用短脉...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘顿，彼得班尼特，邓波，陈列，翟中生，娄德元，杨奇彪，关来庆，熊厚，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42