一种激光处理制备防污减阻材料的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于激光加工技术领域，公开了一种激光处理制备防污减阻材料的方法及装置，装置主要包括皮秒激光发射组件、飞秒激光发射组件及扫描聚焦组件，飞秒激光发射组件用于发射飞秒激光，使待处理材料表面形成具有超疏水性能的微纳混合结构；皮秒激光发射组件用于发射皮秒激光，使该待处理材料表面形成超亲水区域。本发明专利技术通过对装置中各组件的结构及其设置方式，及相应处理方法等进行改进，利用皮秒激光与飞秒激光的综合作用形成超亲水‑超疏水(或亲水‑超疏水、疏水‑超疏水)材料表面形貌，实现复合浸润性，能够减小待处理材料在水中的阻力，同时起到防污作用，能够有效解决传统电化学腐蚀方法无法实现复合浸润性的微纳结构及环境污染大等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种激光处理制备防污减阻材料的方法及装置
本专利技术属于激光加工
，更具体地，涉及一种激光处理制备防污减阻材料的方法及装置，能够实现表面防污减阻材料的制备。
技术介绍
随着对水下航行器性能要求的提高及对环境保护的重视，航行器水下航行中的污染和摩擦损耗越来越受到人们的重视，如何防污减阻也逐渐变成了一个热门项目。防污减阻研究的目的在于降低航行器在水中运动时所受到的污染和摩擦阻力，减少能源消耗，提高航行体的航速以及使用寿命。目前，各种防污减阻理论和方法不断涌现，其中利用具有特殊浸润性的材料作防污减阻材料尤其受到关注。具有特殊浸润性的材料主要指超疏水和超亲水材料，这两种功能材料在防污减阻方面均具有各自的优势和缺陷。超疏水材料是利用其自身的疏水特性，在固液接触面之间充斥着大量的气体，减小固液接触面，并利用气液摩擦远远小于固液摩擦特点，来减小摩擦阻力，从而即达到防污，又具有减阻效果的目的。但是另一方面，超疏水材料的斥水作用也会导致液体的提前分离，引起激波，增大压差阻力，甚至在某种条件下会导致总阻力增大。而对于超亲水材料，尽管由于其对水的吸附作用会增大物体所受的摩擦阻力和吸附污渍，但由于其亲水特性能够很好的稳定流场，在特殊条件下反而有利于总阻力的降低效果。由于单纯的超亲水或超疏水材料均具有各自的优势以及局限性，因此，如何发挥这两种功能材料的各自优势并抑制各自缺点，将二者优势有机地结合起来，形成一种既要保证减小水与结构物的接触面积，又要保持流场的稳定，水与结构物不能完全分离的亲疏水复合浸润性能的微纳结构，从而获得既能防污，又能减阻的功效，是解决这个问题的技术瓶颈。在材料表面上实现特殊浸润性能的结构通常是由微/纳混合结构制备而成，而传统方法制备特殊浸润性材料主要是通过电化学腐蚀的方式。电化学腐蚀方法由于制备精度差，分辨率低，因而只能对材料表面进行单一浸润性性处理，无法产生所需亲疏水复合浸润性的微纳结构。此外，这种电化学腐蚀的方法还会产生大量的化学废料，排放会对环境造成污染。因此，如何制备具有亲疏水复合浸润性能的微纳结构，是解决这个问题的另一个技术瓶颈。
技术实现思路
针对以上现有技术的缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种激光处理制备防污减阻材料的方法及装置，通过对装置中各组件的结构及其设置方式，处理方法的整体流程工艺设计等进行改进，利用皮秒激光与飞秒激光的综合作用形成超疏水与超亲水相间的材料表面形貌(即，超亲水-超疏水表面形貌；当然也可以形成亲水-超疏水、或疏水-超疏水)，与现有技术相比能够有效解决传统电化学腐蚀方法无法实现超亲水-超疏水复合浸润性的微纳结构、以及环境污染大等问题。利用本专利技术中的装置及方法，能够例如将超疏水性能结构与超亲水性能结构以一定的排列组合方式制备在同一材料表面上，形成一种复合浸润性的防污减阻功能材料，既保留超疏水材料的斥水特性，保持防污以及良好的摩擦减阻能力，又能够利用超亲水材料的亲水特性，稳定流场，最终实现高效、稳定的防污减阻表面功能。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种激光处理制备防污减阻材料的装置，其特征在于，包括皮秒激光发射组件、飞秒激光发射组件、扫描聚焦组件以及载物工作台，其中，所述载物工作台用于放置待进行防污减阻处理的待处理材料(10)；所述飞秒激光发射组件包括飞秒激光器(1)及与该飞秒激光器(1)配合使用的第一扩束准直镜(3)，该飞秒激光器(1)用于发射飞秒激光束，该飞秒激光束经过所述第一扩束准直镜(3)及导光镜(5，6)入射到所述扫描聚焦组件，并经过所述扫描聚焦组件聚焦到所述待处理材料(10)上，用于对该待处理材料(10)进行飞秒激光扫描刻蚀加工处理使该待处理材料(10)表面形成满足超疏水性能需要的微纳混合结构(20)；所述皮秒激光发射组件包括皮秒激光器(2)及与该皮秒激光器(2)配合使用的第二扩束准直镜(4)，该皮秒激光器(2)用于发射皮秒激光束，该皮秒激光束经过所述第二扩束准直镜(4)及导光镜(5，6)入射到所述扫描聚焦组件，并经过所述扫描聚焦组件聚焦到所述待处理材料(10)上，用于对该待处理材料(10)进行皮秒激光扫描加工修饰处理使该待处理材料(10)表面形成疏水区域或亲水区域或超亲水区域；利用飞秒激光束或皮秒激光束对待处理材料(10)的单一处理，或者利用飞秒激光束及皮秒激光束对待处理材料(10)的综合处理，能够使待处理材料(10)表面形成疏水与超疏水相间的疏水-超疏水形貌，或者形成亲水与超疏水相间的亲水-超疏水形貌，或者形成超亲水与超疏水相间的超亲水-超疏水形貌，进而减小该待处理材料(10)在水中的阻力，同时起到防污作用。作为本专利技术的进一步优选，所述飞秒激光发射组件和所述皮秒激光发射组件共用一对导光镜(5，6)，记这一对导光镜(5，6)分别为第一导光镜(5)和第二导光镜(6)，激光束依次经过所述第一导光镜(5)和所述第二导光镜(6)入射到所述扫描聚焦组件，通过调整所述第一导光镜(5)能够实现所述扫描聚焦组件是接入飞秒激光束光路还是接入皮秒激光束光路的切换；优选的，所述扫描聚焦组件包括扫描振镜、扫描场镜和Z轴移动机构(9)，所述扫描振镜和所述扫描场镜两者配合用于对激光束进行扫描聚焦，所述Z轴移动机构(9)则用于带动所述扫描振镜和所述扫描场镜沿Z轴方向整体移动以控制激光束聚焦点在Z轴方向上的位置；优选的，所述Z轴移动机构(9)还用于带动所述第二导光镜(6)沿Z轴方向同步移动。作为本专利技术的进一步优选，所述飞秒激光器(1)与所述皮秒激光器(2)两者的激光出射口相对设置；所述载物工作台具体为三维工作台，用于放置并带动所述待处理材料(10)移动，调整所述待处理材料(10)的空间位置；在所述载物工作台的上方还设置有吸尘管道(12)和保护气嘴(13)，其中，所述吸尘管道(12)用于除去所述待处理材料(10)激光处理过程产生的废弃物，所述保护气嘴(13)则用于向所述待处理材料(10)表面传送保护气体。按照本专利技术的另一方面，本专利技术提供了一种激光处理制备防污减阻材料的方法，其特征在于，该方法以非疏水性、且非亲水性的非亲非疏材料为待处理对象，具体包括以下步骤：(1)飞秒激光扫描刻蚀处理：利用飞秒激光对所述待处理对象进行飞秒激光扫描刻蚀加工处理，使该待处理对象表面形成满足超疏水性能需要的微纳混合结构；(2)超疏水表面的形成：在经过所述步骤(1)处理后的所述待处理对象其微纳混合结构表面沉积低表面能材料，从而使该待处理对象表面形成超疏水性能表面；其中，所述低表面能材料其表面自由能低于水的表面自由能；(3)皮秒激光扫描修饰处理：利用皮秒激光对所述待处理对象的所述超疏水性能表面进行皮秒激光扫描加工修饰处理，使所述待处理对象表面形成疏水区域或亲水区域或超亲水区域，由此使所述待处理对象表面最终形成疏水与超疏水相间的疏水-超疏水形貌，或者形成亲水与超疏水相间的亲水-超疏水形貌，或者形成超亲水与超疏水相间的超亲水-超疏水形貌，进而减小该待处理对象在水中的阻力，同时带来防污效果，从而制备得到防污减阻材料。按照本专利技术的又一方面，本专利技术提供了一种激光处理制备防污减阻材料的方法，其特征在于，该方法以疏水性材料为待处理对象，具体包括以下步骤：(1)飞秒激光扫描刻蚀处理：利用飞秒激光对所述待处理对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光处理制备防污减阻材料的装置，其特征在于，包括皮秒激光发射组件、飞秒激光发射组件、扫描聚焦组件以及载物工作台，其中，所述载物工作台用于放置待进行防污减阻处理的待处理材料(10)；所述飞秒激光发射组件包括飞秒激光器(1)及与该飞秒激光器(1)配合使用的第一扩束准直镜(3)，该飞秒激光器(1)用于发射飞秒激光束，该飞秒激光束经过所述第一扩束准直镜(3)及导光镜(5，6)入射到所述扫描聚焦组件，并经过所述扫描聚焦组件聚焦到所述待处理材料(10)上，用于对该待处理材料(10)进行飞秒激光扫描刻蚀加工处理使该待处理材料(10)表面形成满足超疏水性能需要的微纳混合结构(20)；所述皮秒激光发射组件包括皮秒激光器(2)及与该皮秒激光器(2)配合使用的第二扩束准直镜(4)，该皮秒激光器(2)用于发射皮秒激光束，该皮秒激光束经过所述第二扩束准直镜(4)及导光镜(5，6)入射到所述扫描聚焦组件，并经过所述扫描聚焦组件聚焦到所述待处理材料(10)上，用于对该待处理材料(10)进行皮秒激光扫描加工修饰处理使该待处理材料(10)表面形成疏水区域或亲水区域或超亲水区域；利用飞秒激光束或皮秒激光束对待处理材料(10)的单一处理，或者利用飞秒激光束及皮秒激光束对待处理材料(10)的综合处理，能够使待处理材料(10)表面形成疏水与超疏水相间的疏水‑超疏水形貌，或者形成亲水与超疏水相间的亲水‑超疏水形貌，或者形成超亲水与超疏水相间的超亲水‑超疏水形貌，进而减小该待处理材料(10)在水中的阻力，同时起到防污作用。...

【技术特征摘要】
1.一种激光处理制备防污减阻材料的装置，其特征在于，包括皮秒激光发射组件、飞秒激光发射组件、扫描聚焦组件以及载物工作台，其中，所述载物工作台用于放置待进行防污减阻处理的待处理材料(10)；所述飞秒激光发射组件包括飞秒激光器(1)及与该飞秒激光器(1)配合使用的第一扩束准直镜(3)，该飞秒激光器(1)用于发射飞秒激光束，该飞秒激光束经过所述第一扩束准直镜(3)及导光镜(5，6)入射到所述扫描聚焦组件，并经过所述扫描聚焦组件聚焦到所述待处理材料(10)上，用于对该待处理材料(10)进行飞秒激光扫描刻蚀加工处理使该待处理材料(10)表面形成满足超疏水性能需要的微纳混合结构(20)；所述皮秒激光发射组件包括皮秒激光器(2)及与该皮秒激光器(2)配合使用的第二扩束准直镜(4)，该皮秒激光器(2)用于发射皮秒激光束，该皮秒激光束经过所述第二扩束准直镜(4)及导光镜(5，6)入射到所述扫描聚焦组件，并经过所述扫描聚焦组件聚焦到所述待处理材料(10)上，用于对该待处理材料(10)进行皮秒激光扫描加工修饰处理使该待处理材料(10)表面形成疏水区域或亲水区域或超亲水区域；利用飞秒激光束或皮秒激光束对待处理材料(10)的单一处理，或者利用飞秒激光束及皮秒激光束对待处理材料(10)的综合处理，能够使待处理材料(10)表面形成疏水与超疏水相间的疏水-超疏水形貌，或者形成亲水与超疏水相间的亲水-超疏水形貌，或者形成超亲水与超疏水相间的超亲水-超疏水形貌，进而减小该待处理材料(10)在水中的阻力，同时起到防污作用。2.如权利要求1所述激光处理制备防污减阻材料的装置，其特征在于，所述飞秒激光发射组件和所述皮秒激光发射组件共用一对导光镜(5，6)，记这一对导光镜(5，6)分别为第一导光镜(5)和第二导光镜(6)，激光束依次经过所述第一导光镜(5)和所述第二导光镜(6)入射到所述扫描聚焦组件，通过调整所述第一导光镜(5)能够实现所述扫描聚焦组件是接入飞秒激光束光路还是接入皮秒激光束光路的切换；优选的，所述扫描聚焦组件包括扫描振镜、扫描场镜和Z轴移动机构(9)，所述扫描振镜和所述扫描场镜两者配合用于对激光束进行扫描聚焦，所述Z轴移动机构(9)则用于带动所述扫描振镜和所述扫描场镜沿Z轴方向整体移动以控制激光束聚焦点在Z轴方向上的位置；优选的，所述Z轴移动机构(9)还用于带动所述第二导光镜(6)沿Z轴方向同步移动。3.如权利要求1所述激光处理制备防污减阻材料的装置，其特征在于，所述飞秒激光器(1)与所述皮秒激光器(2)两者的激光出射口相对设置；所述载物工作台具体为三维工作台，用于放置并带动所述待处理材料(10)移动，调整所述待处理材料(10)的空间位置；在所述载物工作台的上方还设置有吸尘管道(12)和保护气嘴(13)，其中，所述吸尘管道(12)用于除去所述待处理材料(10)激光处理过程产生的废弃物，所述保护气嘴(13)则用于向所述待处理材料(10)表面传送保护气体。4.一种激光处理制备防污减阻材料的方法，其特征在于，该方法以非疏水性、且非亲水性的非亲非疏材料为待处理对象，具体包括以下步骤：(1)飞秒激光扫描刻蚀处理：利用飞秒激光对所述待处理对象进行飞秒激光扫描刻蚀加工处理，使该待处理对象表面形成满足超疏水性能需要的微纳混合结构；(2)超疏水表面的形成：在经过所述步骤(1)处理后的所述待处理对象其微纳混合结构表面沉积低表面能材料，从而使该待处理对象表面形成超疏水性能表面；其中，所述低表面能材料其表面自由能低于水的表面自由能；(3)皮秒激光扫描修饰处理：利用皮秒激光对所述待处理对象的所述超疏水性能表面进行皮秒激光扫描加工修饰处理，使所述待处理对象表面形成疏水区域或亲水区域或超亲水区域，由此使所述待处理对象表面最终形成疏水与超疏水相间的疏水-超疏水形貌，或者形成亲水与超疏水相间的亲水-超疏水形貌，或者形成超亲水与超疏水相间的超亲水-超疏水形貌，进而减小...

【专利技术属性】
技术研发人员：段军，侯国祥，陈乔丹，邓磊敏，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42