激光微加工Ti、Ti6Al4V表面润湿性研究

摘要

近些年来，人们随着对自然界生物表面特性的研究，从中得到了很大的启发，根据荷叶效应人们发现疏水材料表面在自清洁、流体运输、防腐降阻等方面有非常好的潜在优势，因此对于超疏水材料的制备已经成了人们近年来的研究热点。根据润湿性理论可知材料表面的疏水性与表面能和微观结构相关，为了获得疏水表面，降低表面能或者构造表面微结构成了最直接的方法。相比之下在材料表面加工微结构已成为制备疏水材料的有效途径。随着激光加工方法的日益完善和成熟，相比于其他微结构制备技术来说，超快激光加工技术以其非接触的加工方式、机械变形小、加工精度高、加工材料范围广等诸多优点已成为微结构加工中极具优势的加工技术。
　　本文在阐述了固体表面润湿性理论之后，根据润湿性经典模型对三种特殊微结构纹理进行建模并且推导了接触角的理论计算公式;紧接着根据所建模型使用纳秒激光在金属Ti和Ti6Al4V两种材料表面构造了不同类型的纹理结构，并且针对每种纹理结构相邻两特征结构单元之间距离的改变进行了加工。通过对每种类型微结构的形貌表征、接触角测量和化学成分分析证实了:利用激光加工方法能够对材料进行高效、高精度加工，获得理想的表面微结构;Ti经激光加工后接触角的最大值为157.2°，表面达到了超疏水性，而Ti6Al4V在激光加工后表面接触角最大可达137°呈疏水性;激光加工后表面微结构不再改变，因此微结构的改变对表面润湿性的影响仅存在于激光加工的瞬间，而通过对化学成分的分析发现材料表面化学成分却随时间不断变化，因此激光加工后的一段时间内接触角随时间变化是由表面化学成分变化引起的。总的来说，激光加工表面微结构使材料表面润湿性由亲水性转变为疏水性是表面微结构和化学成分共同决定的。
　　为了更加深入的研究材料表面疏水性的影响因素，首先对激光加工后的疏水材料进行300℃，1h的低温退火，发现退火会使得疏水表面暂时变得亲水，一定时间后又恢复了原来的疏水性;此外还研究了激光加工参数对疏水性的影响:通过改变激光能量和扫描速度发现在一定范围内激光能量越大，扫描速度越小获得的表面疏水性越好，因此在激光加工微结构制备疏水表面时要合理优化激光参数与微结构尺寸进而才能获得理想的疏水表面。

目录

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摘要

图清单

表清单

字母注释表

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 自然界中的超疏水表面

1．3 超疏水表面制备的研究现状

1．4 本文研究意义和研究内容

第二章 固体表面润湿性理论和模型建立

2．1 引言

2．2 固体表面润湿性理论基础

2．3 三种微结构理论建模及接触角预测

2．3．1 线状微结构模型

2．3．2 网格状微结构模型

2．3．3 点阵状微结构模型

2．4 本章小结

第三章 金属Ti的表面润湿性研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 材料和试剂

3．2．2 实验设备和仪器

3．2．3 实验方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 表面形貌观察

3．3．2 接触角测量与讨论

3．3．3 表面化学成分分析

3．4 本章小结

第四章 Ti6Al4V合金的表面润湿性研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 材料和试剂

4．2．2 实验设备和仪器

4．2．3 实验方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 表面形貌观察

4．3．2 接触角测量与讨论

4．3．3 化学成分分析

4．4 本章小结

第五章 退火、激光能量和扫描速度对润湿性的影响

5．1 引言

5．2 退火

5．3 激光能量

5．3．1 激光能量对试样表面形貌的影响

5．3．2 激光能量对材料表面接触角的影响

5．4 激光扫描速度

5．4．1 激光扫描速度对试样表面形貌的影响

5．4．2 扫描速度对材料表面接触角的影响

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢