本发明专利技术公开了一种利用纳秒脉冲激光在材料表面制备周期性波纹结构的方法。其制备步骤如下：将试样材料表面进行机械打磨和抛光后，用无水乙醇超声清洗干净；采用纳秒脉冲激光工艺，通过预制镜对激光束进行调制，在空气环境中，激光束经预制镜进行预调制后垂直入射到材料表面，即可在材料表面诱导产生周期性波纹结构。本发明专利技术的优点在于其工艺简单，实验周期短，实施费用低且无污染，是一种在材料表面快速制备周期性波纹结构的方法，具有巨大的研究意义及应用价值。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及金属材料表面微制造领域，更加具体地说，特别是一种利用脉冲激光 在材料表面快速制备周期性微波纹结构的方法。
技术介绍
形态学表面改性技术就是在不改变表面化学性质的前提下通过改善材料表面微观形貌以提高其表面的特性。在1998年，Nature上就报道过通过预制微结构的方式获得了具有一定有序性的波纹的研究结果。此后，很多方法被研究和建议，但时至今日尚无一种方法能够制备出完美的人造波纹结构。尽管如此，一种基于规则波纹结构的易于大面积实现、低成本的表面微纳结构制备方法一直在吸引并激励着人们克服种种困难。近来，部分研究者开始使用激光这一手段在材料表面制备周期性结构，以实现材料表面性倉泛的改变 ° Liang 等使用飞秒激光在纯钛表面制备了明显的微沟槽结构，波纹周期为 20 μ m。Chuan等使用激光直写技术在材料表面制备出可设计、无缺陷和高度有序的表面波形结构。专利CN 102626826A公开了一种基于激光冲击波的高效微凹槽制备装置及方法，利用激光诱导的冲击波产生的巨大压力，将金属网嵌入金属材料表面，在金属表面形成微凹槽。综上所述，这些已有的研究报道均是利用激光来实现表面波纹结构的制备。通过以上技术均可制备出可设计、可控的规则波形结构。但是均存在设备昂贵、制备工艺复杂等缺陷，其应用也受到局限。
技术实现思路
针对目前激光表面图案化技术的不足，在本专利技术中通过预制镜对激光进行预制，从而得到一种微米级的具有周期性环形结构的材料，本专利技术工艺简单、方便实用且无污染，可用于熔点较低的纯镁和纯钛等金属及非金属材料。本专利技术的技术方案—种利用脉冲激光在材料表面制备周期性环形结构的方法，其特征在于制备步骤如下I)材料表面经机械打磨和抛光后，用无水乙醇超声清洗干净，然后在空气环境中将其固定在试样平台上，固定移动平台与激光器的距离。2)将预制镜置于激光器前部，使用该预制镜对激光束进行预调制。3)将上述试样材料在垂直于入射激光束方向上移动，通过观察成像系统中光斑入射到上述材料表面位置的变化，调整其在平台上的位置，使光斑垂直于上述金属材料的表面，并使光斑落在上述金属材料的表面上。4)保持入射的激光束方向不变，通过调整激光器入射能量及轰击次数，在上述材料表面制备获得不同深度及宽度的微米级的周期性环形结构。所述试样为熔点较低的纯镁和纯钛等金属及非金属材料。所述激光的参数为脉冲重复频率为不低于O. 1Hz，激光波长为不低于946nm的长波，脉宽为纳秒量级。所述入射激光能量不低于10毫焦耳。所述入射激光的轰击次数不低于I次，在试样材料表面诱导产生不同深度的周期性环形结构。本专利技术的有益效果如下(I)本专利技术通过改变激光入射能量以及轰击次数可得到不同深度、不同周期的微米级的周期性结构。(2)本专利技术的优势在于快速的脉冲持续时间将会导致激光作用过程中热传导效应在根本上得到减弱和消除。(3)本专利技术是通过对脉冲激光进行预调制来制备微结构，这种加工工艺存在更加方便快捷，并且工艺简单，制备成本低。附图说明图I为本专利技术实施例I所制得的纯镁表面微米级的周期性环形结构的金相照片。图2为本专利技术实施例2所制得的纯钛表面微米级的周期性环形结构的金相照片。图3为本专利技术实施例I所制得的纯镁表面微米级的周期性环形结构的扫描照片和EDS能谱分析图，其中(a)为扫描电镜照片，(b) (C)分别为元素镁和氧的面扫。图4为本专利技术实施例I所制得的样品的表面结构与测量。图5为本专利技术所用预制镜对激光进行预制的原理图。具体实施例方式下面结合具体实施例进一步说明本专利技术的技术方案。本专利所用预制镜为Dawa-350型Nd = YAG激光器配备的一种均匀反射输出镜，其反射率为80%，反射膜半径a =2mm。依据标准衍射理论，因为此预制镜上的反射膜是一层层镀上去的，这样就会形成一种梯度的变化，所得到的光斑就会出现这种波纹型结构。实施例I :I)将10X 10X4mm3的纯镁材料依次用400-2000号水砂纸逐级打磨后，用无水乙醇超声清洗干净，然后在空气环境中将其固定在三维移动平台上，固定移动平台与激光器的距离，其距离为20cm。2)将预制镜安装于激光器头部，使用该预制镜对激光束进行预调制。3)将上述金属材料在垂直于入射激光束方向上移动，通过观察成像系统中光斑入射到上述金属材料表面位置的变化，调整其在平台上的位置，使光斑垂直于上述金属材料的整个表面，并使光斑全部落在上述金属材料的表面上。所述激光的参数为脉冲重复频率为IHz，激光波长为1064纳米，光斑直径为6毫米，脉宽为5 6纳秒。4)保持入射的激光束方向不变，调整激光器入射能量为229mJ，设定轰击次数为1000次，即可在纯镁材料表面制备出具有一定深度的微米级的周期性环形结构。将上述具有微米级周期环形结构的纯镁试样，通过金相显微镜(0LYMPUSC-35A型)可以观察到样品表面的激光辐照区内形成了一种周期性结构，如图I所示。它是由一个个宽度相近的圆环形结构组成的，环形结构的宽度从内而外逐渐变窄，并且环形结构的宽度在20-100微米之间。在经激光轰击后，损伤区表面的粗糙度增加，其宽度也有利于类骨细胞的攀附与生长。将上述具有微米级周期环形结构的纯镁试样，使用扫描电子显微镜(日本，Hitachi，S4800型)对轰击后试样表面的元素分布进行测试。经观察实验表面主要有镁元素和氧元素，并且激光作用区的氧元素含量明显少于未作用区，如图3所示。将上述具有微米级周期环形结构的纯镁试样，放置在表面三维立体显微镜上，对试样表面环形结构和深度进行测试，如图4所示。实施例2 材料为纯钛，激光轰击次数为200，其他技术步骤和工艺条件均与实施例I相同。在这种情况下，实验观察到经脉冲激光照射后的纯钛表面具有和实施例I相似的结构，如图2所示。将上述具有微米级周期环形结构的纯镁试样，放置在三维立体显微镜上，对试样表面环形结构和深度进行测试。以上对本专利技术做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本专利技术的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本专利技术的保护范围。权利要求1.一种利用脉冲激光在材料表面制备周期性波纹结构的方法，其特征在于，按照下述制备步骤进行 1)试样表面经机械打磨和抛光后，用无水乙醇清洗干净，然后在空气环境中将其固定在试样台上，固定试样台与激光器光源的距离； 2)将预制镜置于激光器光源前部，使用该预制镜对激光束进行预调制； 3)将上述材料在垂直于入射激光束方向上移动，通过观察成像系统中光斑入射到上述材料表面位置的变化，调整其在平台上的位置，使光斑垂直于上述金属材料的表面，并使光斑落在上述材料的表面上； 4)保持入射的激光束方向不变，通过调整激光器入射频率、入射能量及轰击次数，在上述材料表面制备获得不同深度及宽度的微米级的周期性环形结构。2.根据权利要求I所述的利用脉冲激光在材料表面制备周期性环形结构的方法，其特征在于，所述脉冲激光参数为脉冲重复频率为不低于O. 1Hz，激光波长为不低于946nm的长波，脉宽为纳秒量级，所述入射激光能量不低于10毫焦耳，所述入射激光的轰击次数不少于I次。3.根据权利要求I所述的利用脉冲激光在材料表面制备周期性环形结构的方法，其特征在于，所述材料为熔点较低的纯镁或者纯本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种利用脉冲激光在材料表面制备周期性波纹结构的方法，其特征在于，按照下述制备步骤进行：1)试样表面经机械打磨和抛光后，用无水乙醇清洗干净，然后在空气环境中将其固定在试样台上，固定试样台与激光器光源的距离；2)将预制镜置于激光器光源前部，使用该预制镜对激光束进行预调制；3)将上述材料在垂直于入射激光束方向上移动，通过观察成像系统中光斑入射到上述材料表面位置的变化，调整其在平台上的位置，使光斑垂直于上述金属材料的表面，并使光斑落在上述材料的表面上；4)保持入射的激光束方向不变，通过调整激光器入射频率、入射能量及轰击次数，在上述材料表面制备获得不同深度及宽度的微米级的周期性环形结构。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：魏强，平瑞婷，王伟莉，刘爱峰，马剑雄，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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