一种液滴横向饼状弹跳超疏水斜柱阵列的加工方法技术

本发明专利技术提供一种液滴横向饼状弹跳超疏水斜柱阵列的加工方法，属于微细特种加工技术领域。所述加工方法为：设置纳米激光加工参数，在金属基底上预先加工出斜柱阵列顶部微/纳米结构；将加工后的工件固定在X轴可旋转的电控平台上，设置电控平台的X轴的旋转角度，采用逐行进给加工的方法在金属基底上制造出斜柱阵列，将获得的斜柱阵列采用氟硅烷或硬脂酸溶液进行低表面能修饰，即得超疏水斜柱阵列。本发明专利技术方法具有简单易操作、成本低、制造出的超疏水斜柱阵列的结构尺寸及倾斜角度可控，加工范围广且自身具备稳定的超疏水性能等优点，本发明专利技术制备的超疏水斜柱阵列可使液‑固接触时间减小84％，可有效地实现液滴横向饼状弹跳防止结冰现象的发生。

【技术实现步骤摘要】
一种液滴横向饼状弹跳超疏水斜柱阵列的加工方法
本专利技术属于微细特种加工
，涉及到一种液滴横向饼状弹跳超疏水斜柱阵列的加工方法。
技术介绍
冻雨是初冬或冬末春初时期常见的一种灾害性天气，极易粘附在电线、机翼、铁塔等表面并形成越来越厚的冰层，对人类的生产生活造成了极大的影响。现有研究发现水滴撞击到超疏水柱状结构表面时可产生“饼状弹跳”现象从而极大缩短固-液接触时间，明显缩短的固-液接触时间可有效避免冰层的形成。垂直撞向超疏水柱状结构表面的水滴会先铺展然后回弹最后脱离基体，对于结构对称的超疏水表面，由于水滴饼状弹跳的方向与下落方向一致导致最终很难脱离基体表面。因此，制造一种能使液滴产生横向饼状弹跳的超疏水斜柱阵列对防冻雨具有重要意义。虽然，美国橡树岭国家实验室的Lavrik等采用深反应离子刻蚀法在硅基体上制备出底部直径为10μm，间距为10μm，高度为40μm，柱倾角为20°的超疏水斜柱阵列(AdvancedMaterialsInterfaces,2014,1400337)；韩国首尔国立大学的Kim等采用软光刻的方法在聚合物基体上制造出直柱阵列，再通过Ar+离子束照射获得了柱倾角为0～55°的斜柱阵列(SoftMatter,2010,6,3924-3929)；香港城市大学的Feng等采用基于投影微立体光刻的3D打印技术制造出柱倾角为70～90°的亚毫米级超疏水斜柱阵列(ScienceAdvances2020；6,eabb4540)。综上所述，上述加工方法虽均能制备出斜柱阵列，但他们的方法普遍存在制备工艺复杂、光刻设备昂贵或制备材料受限等缺点。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述问题，本专利技术提供一种液滴横向饼状弹跳超疏水斜柱阵列的加工方法。本专利技术采用先纳秒激光逐行进给加工出斜柱结构再使用低表面能材料改性的方法制备超疏水斜柱阵列。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种液滴横向饼状弹跳超疏水斜柱阵列的加工方法，包括以下步骤：第一步，加工斜柱阵列：1.1)首先，为了预先在斜柱阵列顶部构建微/纳米结构，采用纳秒激光按照设定的激光扫描轨迹1对金属工件表面进行预加工，扫描轨迹1为填充线间距为10μm～50μm的图案，其中加工功率为5W～30W，扫描速度为100mm/s～2000mm/s，频率为20kHz～50kHz，轨迹扫描1的加工次数为1次；1.2)其次，在步骤1.1)加工处理后的金属工件表面绘制纳秒激光的扫描轨迹2：在金属工件表面绘制宽度为d+S、长度为n×(d+S)的长方形区域，其中d为斜柱阵列顶部直径，S为斜锥阵列相邻柱间隙；长方形区域内部绘制间隙为S、直径为d的等距圆形阵列，在激光加工时，填充的区域在激光烧蚀下会被去除，未填充的圆形区域将会保留形成斜柱，其中圆形区域不填充，圆形以外区域进行填充，填充线间距为10μm～50μm；1.3)再次，重新设置纳秒激光器的加工参数：加工功率为5W～30W，扫描速度为100mm/s～2000mm/s，频率为20kHz～50kHz，扫描轨迹2的加工次数为40～100，加工完毕后，即可以获得顶端直径为d，柱间隙为S，高度为H的斜柱，其中，高度H通过改变扫描轨迹2的加工次数来调控；1.4)最后，将步骤1.1)加工处理后的工件固定于X轴可旋转的电控平台上，设置电控平台的X轴旋转角度为α(金属工件表面与水平面夹角为α)；同时，电控平台的X轴旋转角度α也为斜柱的倾角，因此可以通过设置α的大小来调控斜柱的倾角。根据步骤1.3)设置的加工参数，沿步骤1.2)的扫描轨迹对金属工件表面进行加工，具体的：单行斜柱加工完毕后，为保持纳秒激光位于工件表面上的焦距不变，设置电控平台沿Y轴和Z轴移动距离分别为lY＝(d+S)×cosα，lZ＝(d+S)×sinα；每加工完一行斜柱，电控平台沿Y轴和Z轴分别移动lY、lZ距离，再进行下一行加工，；最终在金属基体上加工出顶部直径d为100μm～500μm，间隙S为100μm～300μm，高度H为400μm～800μm，柱倾角α为0°～60°的斜柱阵列。第二步，低表面能处理：室温下，将第一步加工的斜柱阵列置于低表面能溶液中进行修饰，取出后烘干，即可获得超疏水斜柱阵列，得到的超疏水斜柱阵列可实现液滴的横向饼状弹跳，进而实现液滴在基体表面的快速脱离。进一步的，所述的金属基体为铜、铝、镁、锌、钛合金或不锈钢。进一步的，所述的实现激光扫描轨迹的激光器为紫外激光器或光纤激光器。进一步的，所述的低表面能溶液包括氟硅烷、硬脂酸溶液或其他溶液。进一步的，所述X轴旋转角度α角度范围为0°～60°。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术提出的加工方法适用于常用工程金属材料，加工成本低，加工效率高；(2)本专利技术制造出的超疏水斜柱阵列的柱尺寸、倾斜角度可控，加工范围广；(3)本专利技术制造的超疏水斜柱阵列可实现液滴的横向饼状弹跳，进一步实现液滴在基体表面的快速脱离，固-液接触时间可减少84％。附图说明图1是纳秒激光加工方法制造超疏水斜柱阵列的工艺示意图。图2是纳秒激光加工超疏水斜柱阵列的装置示意图。图3是超疏水斜柱阵列的形状示意图。图4是14.0μL水滴撞击d＝250μm，S＝200μm，H＝550μm，α＝45°的超疏水斜柱阵列的运动情况。图5是制造的超疏水斜柱阵列的超疏水图像。具体实施方式下面结合附图和技术方案，进一步说明本专利技术的具体实施方式。实施例：采用纳秒激光加工液滴横向饼状弹跳超疏水斜柱阵列，如图1所示，具体方法如下：第一步，纳秒激光加工斜柱阵列：1.1)按顺序用800#和1500#砂纸打磨1060铝板(厚3mm)，随后去离子水超声清洗以去除表面油污和灰尘；1.2)纳秒激光加工铝板构建微/纳米结构，加工功率为21W，扫描速度为700mm/s，扫描频率为20kHz，填充线间距为50μm，扫描次数为1；1.3)绘制纳秒激光的扫描轨迹：绘制宽度为0.5mm，长度为9mm的长方形，内部绘制间隙为200μm，直径为250μm的20×1圆形阵列，圆形区域不填充，对圆形外部区域进行填充，填充线间距为50μm；1.4)设置纳秒激光加工参数：加工功率为21W，扫描速度为700mm/s，扫描频率为20kHz，扫描次数为80；1.5)将步骤1.2)加工好的工件固定与X轴可旋转的电控平台上，设置电控平台的X轴旋转角度45°，为保持纳秒激光与工件表面的焦距不变，设置电控平台沿Y轴和Z轴移动距离分别为0.32mm，0.32mm；最终加工出顶部直径d为250μm，间隙S为200μm，高度H为700μm，柱倾角α为45°的斜柱阵列。第二步，低表面能处理：室温下，将获得的铝基体斜柱阵列置于氟硅烷低表面能溶液中进行修饰，修饰时间为40分钟，取出后烘干，烘干温度为60℃，时间为30分钟，最终获得超疏水斜柱阵列。获得的超疏水斜柱阵列与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种液滴横向饼状弹跳超疏水斜柱阵列的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：/n第一步，加工斜柱阵列：/n1.1)为了预先在斜柱阵列顶部构建微/纳米结构，采用纳秒激光按照设定的激光扫描轨迹1对金属工件表面进行预加工，扫描轨迹1为填充线间距为10μm～50μm的图案，其中加工功率为5W～30W，扫描速度为100mm/s～2000mm/s，频率为20kHz～50kHz，轨迹扫描1的加工次数为1次；/n1.2)在步骤1.1)加工处理后的金属工件表面绘制纳秒激光的扫描轨迹2：在金属工件表面绘制宽度为d+S、长度为n×(d+S)的长方形区域，其中d为斜柱阵列顶部直径，S为斜锥阵列相邻柱间隙；长方形区域内部绘制间隙为S、直径为d的等距圆形阵列，在激光加工时，填充的区域在激光烧蚀下会被去除，未填充的圆形区域将会保留形成斜柱，其中圆形区域不填充，圆形以外区域进行填充，填充线间距为10μm～50μm；/n1.3)重新设置纳秒激光器的加工参数：加工功率为5W～30W，扫描速度为100mm/s～2000mm/s，频率为20kHz～50kHz，扫描轨迹2的加工次数为40～100，加工完毕后，即可以获得顶端直径为d，柱间隙为S，高度为H的斜柱，其中，高度H通过改变扫描轨迹2的加工次数来调控；/n1.4)将步骤1.1)加工后的工件固定于X轴可旋转的电控平台上，设置其X轴旋转角度为α，同时，电控平台的X轴旋转角度α也为斜柱的倾角，通过设置α的大小调控斜柱的倾角；根据步骤1.3)设置的加工参数，沿步骤1.2)的扫描轨迹对金属工件表面进行加工，具体的：单行斜柱加工完毕后，为保持纳秒激光位于工件表面上的焦距不变，设置电控平台沿Y轴和Z轴移动距离分别为l...

【技术特征摘要】
1.一种液滴横向饼状弹跳超疏水斜柱阵列的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，加工斜柱阵列：
1.1)为了预先在斜柱阵列顶部构建微/纳米结构，采用纳秒激光按照设定的激光扫描轨迹1对金属工件表面进行预加工，扫描轨迹1为填充线间距为10μm～50μm的图案，其中加工功率为5W～30W，扫描速度为100mm/s～2000mm/s，频率为20kHz～50kHz，轨迹扫描1的加工次数为1次；
1.2)在步骤1.1)加工处理后的金属工件表面绘制纳秒激光的扫描轨迹2：在金属工件表面绘制宽度为d+S、长度为n×(d+S)的长方形区域，其中d为斜柱阵列顶部直径，S为斜锥阵列相邻柱间隙；长方形区域内部绘制间隙为S、直径为d的等距圆形阵列，在激光加工时，填充的区域在激光烧蚀下会被去除，未填充的圆形区域将会保留形成斜柱，其中圆形区域不填充，圆形以外区域进行填充，填充线间距为10μm～50μm；
1.3)重新设置纳秒激光器的加工参数：加工功率为5W～30W，扫描速度为100mm/s～2000mm/s，频率为20kHz～50kHz，扫描轨迹2的加工次数为40～100，加工完毕后，即可以获得顶端直径为d，柱间隙为S，高度为H的斜柱，其中，高度H通过改变扫描轨迹2的加工次数来调控；
1.4)将步骤1.1)加工后的工件固定于X轴可旋转的电控平台上，设置其X轴旋转角度为α...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋金龙，吴松，潘维浩，黄柳，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21