一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法技术

一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法，步骤如下：S1、对钛合金表面进行预处理；S2、激采用飞秒激光在钛合金表面进行激光刻蚀，在钛合金表面形成双尺度微纳结构，即在钛合金表面形成排列有序的周期性微米级类乳突状结构，类乳突状结构上密集分布有纳米级颗粒棒状结构，激光刻蚀后清洗去除钛合金表面烧蚀的熔融粒子或杂质粒；激光刻蚀的具体参数为：激光脉宽为275fs，单脉冲能量为3.1‑3.6μJ，频率为50‑900kHz，扫描速度为50‑900mm/s，扫描间距为10‑50μm，扫描次数为10‑30次，扫描路径为网格状；S3、将激光刻蚀后的钛合金放置于130‑170℃的保温炉中保温7.5h‑8.5h，取出后清洗去除钛合金表面的烧蚀碎片或污染物。本发明专利技术方法可简单高效地实现钛合金仿生超疏水表面的制备。

【技术实现步骤摘要】
一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法
本专利技术涉及一种利用飞秒激光刻蚀结合时效处理快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法，属于金属基材表面改性

技术介绍
钛合金作为二十世纪五十年代发展起来的合金，广泛应用于航空航天、海洋船舶、汽车、医疗等领域。钛合金有很多优质特点：如钛合金密度小仅为钢的十分之六，生物相容性好，还具有低弹性模量和高硬度，低密度和较高的比强度，较好的低温性能和高温性能。钛合金在应用时难免会遇到灰尘堆积、结冰覆雪、生物粘附与腐蚀环境等问题。如果通过一定的表面处理在钛合金表面制备超疏水表面，可以使得钛合金表面有防水、防雾、防结冰、自清洁等基本功能，从而使钛合金得到更广范围的应用。在自然界中，有许多具有层次结构的植物表面被认为是自清洁表面，如荷叶，表面有许多规则的微小突起，表层还有一层纳米级蜡质的棒状和微米级别的乳突，这些微纳结构和表层的疏水物质共同作用下，水滴落在上面会呈现完美的球形，水滴落在荷叶上不会停留，在滚落荷叶的时候还会带走表面的灰尘和污垢使荷叶表面保持清洁。研究表明表面粗糙结构和低表面能为实现的必备条件。因此，基于这两条路径，仿生制备超疏水表面的方法层出不穷，包括化学刻蚀法、阳极氧化法、气相沉积法、机械加工法、溶胶凝胶法、模板法等方法。但是这些方法普遍工艺繁琐，或是用到浓酸浓碱对操作者以及环境造成不利影响。因此，亟需一种环境友好，易实现且工艺简单的制备钛合金仿生超疏水表面的方法。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是提供一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法。该方法首先通过飞秒激光刻蚀钛合金表面形成微纳米结构，再结合时效处理降低钛合金表面的表面能，实现钛合金仿生超疏水表面的制备，整个制备过程简单高效，易于实现且环境友好。本专利技术实现其专利技术目的所采取的技术方案是：一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法，其步骤如下：S1、预处理：对钛合金表面进行预处理；S2、激光刻蚀：采用飞秒激光在预处理后的钛合金表面进行激光刻蚀，在钛合金表面形成双尺度微纳结构，即在钛合金表面形成排列有序的周期性微米级类乳突状结构，类乳突状结构上密集分布有纳米级颗粒棒状结构，激光刻蚀后清洗去除钛合金表面烧蚀的熔融粒子或杂质粒；所述激光刻蚀的具体参数为：激光脉宽为275fs，单脉冲能量为3.1-3.6μJ，频率为50-900kHz，扫描速度为50-900mm/s，扫描间距为10-50μm，扫描次数为10-30次，扫描路径为网格状；S3、时效处理：将激光刻蚀后的钛合金放置于130-170℃的箱式保温炉中保温7.5h-8.5h，取出后吹扫去除钛合金表面的烧蚀碎片或污染物。本专利技术的原理是：本专利技术采用飞秒激光，通过控制激光参数，在钛合金表面形成双尺度微纳结构的原理是：首先，本专利技术中飞秒激光脉宽为275fs，其脉冲具有极短的持续时间，单脉冲能量范围达到3.1-3.6μJ，那么峰值功率可达1100000w左右，极高的峰值功率几乎可以使得任何材料发生完全电离。申请人发现，在3.1-3.6μJ的单脉冲能量下，结合50-900khz的频率范围和50-900mm/s的扫描速度，扫描过程中，钛合金表面持续吸收激光能量，热扩散加速，并在晶格之间形成了温度梯度，从而使得能量可以不断地向钛合金内部进一步传递、沉积；当能量沉积到某一固定的值时，达到钛合金的烧蚀阈值，快速的使钛合金表面熔化沉积并成型，配合本申请的激光光斑、扫描间距和扫描路径，在钛合金表面形成双尺度微纳米结构。具体形成机理是：由于激光脉冲强度呈高斯分布，也就是激光光斑边缘能量强度弱于中心位置，中心位置激光能量密度很大，产生冲击波将钛合金表面材料去除，在扫描路径上形成沟槽，从而形成周期性微米级类乳突状结构。边缘部分激光照射到钛合金表面时，在本申请激光参数范围之下，激光在空气和钛合金界面上激发出的等离子体与入射激光相互干涉，加上熔融物的沉积凝固，最终在钛合金表面的类乳突状结构上形成了纳米级颗粒棒状结构。总之，钛合金表面微纳结构是在特定激光参数范围下，由激光与钛合金表面相互作用，扫描路径上钛合金的剥蚀去除以及产生的熔融物沉积凝固的结果。激光刻蚀钛合金表面后，产生大量氧化物，主要为二氧化钛。二氧化钛表面具有大量的极性位点，使其表面具有高度的非平衡和表面极性。较大的极性可以促进环境水蒸气在二氧化钛表面的解离作用和吸附，形成羟基，所以激光刻蚀后的表面具有超亲水性。通过本专利技术的时效处理后，钛合金表面上的一部分羟基被去除，其它羟基将空气中的一些非极性有机链如C-H，C-C键等吸收到激光刻蚀表面上。申请人选择130-170℃的时效温度范围和7.5h-8.5h的保温时间可保证钛合金表面极性位点大量减少，快速降低激光刻蚀后的钛合金表面能，总表面能量降低而带来超疏水性。综上，本专利技术首先通过飞秒激光刻蚀在钛合金表面形成微米-纳米相结合的多尺度荷叶仿生结构，再通过时效处理降低钛合金表面能，最终在钛合金表面形成超疏水表面。低表面能的双尺度微纳米结构具备超疏水性的原理是：最理想的疏水状态是液滴与表面以cassie态接触，液滴受到结构中气体的支撑作用完全与表面结构相分离，此状态下液滴的接触角、滞后角以及滚动角都很低，更利于实现表面自清洁。本专利技术在钛合金表面制备的双尺度微纳米结构中的气体密集分布，难以被液滴所挤出，因而可以产生更多更稳定的支撑力使得液滴与表面长时间保持cassie态接触。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术通过飞秒激光刻蚀的方法快速在钛合金表面形成了双尺度微纳结构，操作过程工艺简单，易实现，对环境无污染，具有广泛应用价值。本专利技术使用飞秒激光刻蚀，结合时效处理，制备的超疏水表面超疏水性能优良且持久，赋予钛合金表面防水、防雾、防结冰、自清洁等功能。进一步，本专利技术所述步骤S1对钛合金表面进行预处理包括对钛合金表面进行粗磨，精磨，抛光和清洗。进一步，本专利技术所述步骤S2中激光刻蚀所采用的激光波长为1030nm，激光光斑大小为30μm。进一步，本专利技术所述步骤S2中激光刻蚀的具体参数为：单脉冲能量为3.2-3.4μJ，频率为400-800kHz，扫描速度为400-700mm/s，扫描间距10-30μm，扫描次数为10-30次。试验验证，采用上述激光参数范围匹配合理，能够快速精准的制备微纳结构，制备效率高。进一步，本专利技术所述步骤S2中激光刻蚀后清洗去除钛合金表面烧蚀的熔融粒子或杂质粒的具体清洗方法包括先用酒精超声清洗钛合金表面5-10min，再用压缩空气干燥5-10s。进一步，本专利技术所述步骤S3中将激光刻蚀后的钛合金放置于150℃的箱式保温炉中保温8h。进一步，本专利技术所述步骤S3中去除钛合金表面的烧蚀碎片或污染物的具体方法为压缩空气吹洗5-10s。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步详细描述。附图说明图1为本专利技术步骤S2飞秒激光刻蚀的激光扫描路径示意图。图2为本专利技术实施例一经过步骤S2飞秒激光刻蚀后的钛合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法，其步骤如下：/nS1、预处理：对钛合金表面进行预处理；/nS2、激光刻蚀：采用飞秒激光在预处理后的钛合金表面进行激光刻蚀，在钛合金表面形成双尺度微纳结构，即在钛合金表面形成排列有序的周期性微米级类乳突状结构，类乳突状结构上密集分布有纳米级颗粒棒状结构，激光刻蚀后清洗去除钛合金表面烧蚀的熔融粒子或杂质粒；/n所述激光刻蚀的具体参数为：激光脉宽为275fs，单脉冲能量为3.1-3.6μJ，频率为50-900kHz，扫描速度为50-900mm/s，扫描间距为10-50μm，扫描次数为10-30次，扫描路径为网格状；/nS3、时效处理：将激光刻蚀后的钛合金放置于130-170℃的箱式保温炉中保温7.5h-8.5h，取出后吹扫去除钛合金表面的烧蚀碎片或污染物。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法，其步骤如下：
S1、预处理：对钛合金表面进行预处理；
S2、激光刻蚀：采用飞秒激光在预处理后的钛合金表面进行激光刻蚀，在钛合金表面形成双尺度微纳结构，即在钛合金表面形成排列有序的周期性微米级类乳突状结构，类乳突状结构上密集分布有纳米级颗粒棒状结构，激光刻蚀后清洗去除钛合金表面烧蚀的熔融粒子或杂质粒；
所述激光刻蚀的具体参数为：激光脉宽为275fs，单脉冲能量为3.1-3.6μJ，频率为50-900kHz，扫描速度为50-900mm/s，扫描间距为10-50μm，扫描次数为10-30次，扫描路径为网格状；
S3、时效处理：将激光刻蚀后的钛合金放置于130-170℃的箱式保温炉中保温7.5h-8.5h，取出后吹扫去除钛合金表面的烧蚀碎片或污染物。


2.根据权利要求1所述的一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法，其特征在于：所述步骤S1对钛合金表面进行预处理包括对钛合金表面进行粗磨，精磨，抛光和清洗。


3.根据权利要求1所述的一种利用飞秒激光快速制备钛合金仿生超疏水表面的方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：庄园，刘建宇，杨涛，汪远，曾俊彦，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51