一种基于调制飞秒激光脉宽制备超疏液孔阵列结构的方法技术

一种基于调制飞秒激光脉宽制备超疏液孔阵列结构的方法，先对基底材料进行预处理，然后进行再入凹角孔阵列结构的制备，最后再进行超疏液再入凹角孔阵列结构的构建；通过皮秒量级激光织构化技术实现结构制造的同时，复合基底材料表面浸润性调控，实现超疏液再入凹角孔阵列结构的制备；超疏液再入凹角孔阵列结构除了因为熔融堆积效应生成孔边缘凹角特征，在孔内壁同时生成自上而下的“螺旋状“沟槽结构，间接形成孔内壁上的再入凹角特征结构，具有孔边缘熔融堆积效应生成的一级再入凹角结构特征以及孔内壁经激光和材料冲击强化形成的二级“螺旋状”沟槽再入凹角结构特征；双重再入凹角结构以及孔内气穴的存在使得该结构达到了优异的超疏液性能。异的超疏液性能。异的超疏液性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于调制飞秒激光脉宽制备超疏液孔阵列结构的方法


[0001]本专利技术涉及超疏液微纳结构制造
，具体涉及一种基于调制飞秒激光脉宽制备超疏液孔阵列结构的方法。

技术介绍

[0002]通常将对水静态接触角大于150
°
且滚动角小于10
°
的表面称作超疏水表面，因其具有极端的润湿特性从而具有广泛的应用范围和前景。在2007年有学者创新性提出超疏液再入凹角结构，该结构不仅仅具有优异的超疏水特性，而且可以排斥表面能低于水的有机液体，该结构极大地扩展了极端润湿性表面的应用范围，如自清洁、油滴运输、抗腐蚀等。因此被学者们大量研究，就制备方法而言，目前超疏液表面制备方法主要包括化学刻蚀、光刻、化学溶液氧化，但是以上方法往往具有工艺繁琐、化学污染、加工效率低、结构特征不好控制等缺点，使得润湿性很不好被控制，所以限制了超疏液表面的进一步推广。
[0003]近年来飞秒激光加工兴起，由于其无掩模、环境友好、极小的热影响区，加工精度高的特点，已经广泛应用到了非金属、金属表面微纳结构的制备上，具有极强的普适性。但是，飞秒激光光束通常为高斯光束，具有光斑中心能量较高边缘能量较低的特点，所以通常加工的结构(如中国专利申请号CN201810316726.4、名称为一种纳米结构三维分布的超双疏金属表面及其制备方法；中国专利申请号为CN202110276386.9、名称为基于飞秒激光和温控时效综合调控制备超疏水表面的方法；论文Yuhu Chen,The JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY C,2021.)呈现出锥形特征(锥形槽，锥体，锥形孔)，经过低表面能处理后表现出优异的超疏水性能，锥形特征结构通常不具备再入凹角特征，所以不能对绝大多数表面能低于水的液体表现出疏液特性。因此，如何利用飞秒激光的加工优势高效且环境友好地制备出结构特征规律可控的超疏液再入凹角结构仍然是目前存在的一个具有挑战性的难题。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于调制飞秒激光脉宽制备超疏液孔阵列结构的方法，通过皮秒量级激光织构化技术实现结构制造的同时，复合基底材料表面浸润性调控，最终实现超疏液再入凹角孔阵列结构的制备，对于拓展超疏水表面的应用以及提升工艺便捷性和效率有着显著的优势。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：
[0006]一种基于调制飞秒激光脉宽制备超疏液孔阵列结构的方法，包括以下步骤：
[0007]1)预处理：
[0008]1.1)根据实际功能应用和技术工况需求选择所需的基底材料；
[0009]1.2)对基底材料进行抛光处理使得表面呈现光滑纹理而便于功能结构的可程序化设计与制造；
[0010]1.3)依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水进行超声波浴15min，同时利用氮气进行干燥处理；
[0011]2)再入凹角孔阵列结构的制备：
[0012]2.1)依据工况加工制造需求进行飞秒激光微纳加工光学系统的初步调整，包括准直与校正、相关加工制造激光参数即重复频率以及单脉冲能量的调整；通过计算机上的飞秒激光参数控制面板设置飞秒激光的脉宽为皮秒量级；
[0013]2.2)通过飞秒激光微纳加工光学系统的集成控制交互界面进行功能结构加工路径轨迹设计与规划；
[0014]2.3)将待加工基底材料表面放置在加工平台且处于激光光束的焦平面上，按照预先设计的激光参数以及加工规划路径进行程序化织构加工；
[0015]2.4)待加工完毕后，用清洁气吹清洁织构表面残余烧蚀残渣；
[0016]2.5)将加工完后的再入凹角孔阵列结构依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声浴清洗15分钟，之后用氮气进行干燥处理；
[0017]3)超疏液再入凹角孔阵列结构的构建：将步骤2)激光制备的再入凹角孔阵列结构放置于恒温干燥箱中进行温控时效处理，从而利用恒温加热的作用促进织构表面从空气中吸附疏水有机物基团降低表面能达到超疏水状态。
[0018]所述的基底材料为金属及其合金材料，包括铝及其合金、钛及其合金。
[0019]所制备的超疏液再入凹角孔阵列结构单体是以微米孔的形式存在，微米孔结构边缘被一部分熔融的基底材料部分覆盖进而使得微米孔直径减小，与孔内部空间结合形成再入凹角结构特征。
[0020]所制备的超疏液再入凹角孔阵列结构都位于基材初始表面以下，除了因为熔融堆积效应生成孔边缘再入凹角特征外，由于高能激光与基底材料之间的冲击强化作用，在孔内壁生成自上而下的“螺旋状”沟槽结构，“螺旋状”沟槽结构存在一定的深度，所以间接形成了孔内壁上的再入凹角特征结构，所以制备的超疏液再入凹角孔阵列结构具有双再入凹角特征，即孔边缘熔融堆积效应生成的一级再入凹角结构特征以及孔内壁经激光和材料冲击强化形成的二级“螺旋状”沟槽再入凹角结构特征；双重再入凹角结构以及孔内气穴的存在使得该结构达到了优异的超疏液性能。
[0021]所述的超疏液再入凹角孔阵列结构的超疏液性不仅疏水，还疏表面张力低于水的液体，包括以多元醇和芳香烃为主要成分的油，其表面张力在30～40mN/m的范围内，而对于以烷烃为主要成分的油，其表面张力更是低于30mN/m，甚至低于20mN/m。
[0022]所述的步骤2.1)中的单脉冲能量调整设置为40
‑
50μj。
[0023]所述的步骤2.3)规划路径轨迹是指在基底材料表面实现等间距点阵图案化加工。
[0024]与现有的技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：
[0025]首先本专利技术采用激光制备的超疏液再入凹角孔阵列结构表面，激光加工具有加工精度高、无掩膜、环境友好、结构形貌灵活可控等一些列优点，且后续的低表面能处理是采用在温度可控的干燥箱中加热的方式进行，与其他硅烷化等常用方法相比，不会产生对环境污染的化学废弃物；同时，根据超疏液再入凹角孔阵列结构加工后端振镜路径规划特点，加工效率和常规路径(横竖垂直交叉式栅格扫描)加工相比提高了3到4倍，适合在基材表面大面积加工；
[0026]其次，和大多数类似锥形上沉积纳米颗粒以及倒锥形等其他凸起类超疏液表面结构不同，通过本专利技术制备的超疏液再入凹角孔阵列结构几乎都位于基材初始表面以下，除
了因为熔融堆积效应生成孔边缘再入凹角特征外，由于高能激光与材料之间的冲击强化作用，在孔内壁生成自上而下的“螺旋状”沟槽结构，“螺旋状”沟槽结构存在一定的深度，所以间接形成了孔内壁上的再入凹角特征结构，于是，本专利技术制备的超疏液再入凹角孔阵列结构具有双凹角特征，即孔边缘熔融堆积效应生成的一级再入凹角结构特征以及孔内壁经激光和材料冲击强化形成的二级“螺旋状”沟槽再入凹角结构特征；双重再入凹角结构以及孔内气穴的存在使得该结构达到了优异的超疏液性能；同时，得益于双重再入凹角特征，本专利技术的超疏液再入凹角孔阵列结构还具备良好的超疏液稳定性，从文献中得知，再入凹角结构本身就可以增加织构表面液滴从Cassie态过渡本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于调制飞秒激光脉宽制备超疏液孔阵列结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)预处理：1.1)根据实际功能应用和技术工况需求选择所需的基底材料；1.2)对基底材料进行抛光处理使得表面呈现光滑纹理而便于功能结构的可程序化设计与制造；1.3)依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水进行超声波浴15min，同时利用氮气进行干燥处理；2)再入凹角孔阵列结构的制备：2.1)依据工况加工制造需求进行飞秒激光微纳加工光学系统的初步调整，包括准直与校正、相关加工制造激光参数即重复频率以及单脉冲能量的调整；通过计算机上的飞秒激光参数控制面板设置飞秒激光的脉宽为皮秒量级；2.2)通过飞秒激光微纳加工光学系统的集成控制交互界面进行功能结构加工路径轨迹设计与规划；2.3)将待加工基底材料表面放置在加工平台且处于激光光束的焦平面上，按照预先设计的激光参数以及加工规划路径进行程序化织构加工；2.4)待加工完毕后，用清洁气吹清洁织构表面残余烧蚀残渣；2.5)将加工完后的再入凹角孔阵列结构依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声浴清洗15分钟，之后用氮气进行干燥处理；3)超疏液再入凹角孔阵列结构的构建：将步骤2)激光制备的再入凹角孔阵列结构放置于恒温干燥箱中进行温控时效处理，从而利用恒温加热的作用促进织构表面从空气中吸附疏水有机物基团降低表面能达到超疏水状态。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的基底材料为金属及其...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文君，胡磊，梅雪松，崔健磊，潘爱飞，周梦，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：