仿生疏水表面飞秒激光制备研究

摘要

超疏水表面是指与水接触角大于150°且滚动角小于10°的表面，而形成超疏水表面主要因素是微结构和低表面能，其中微结构由于具有特定的物理或化学性能起到至关重要的作用，基于相关研究结果，在材料表面构造微纳结构对提升疏水性极具重要意义。Ti6Al4V合金和复合材料具有强度大、热性能好等优点，在航空、航天以及其他等相关领域都有非常重要的应用，然而，大多数钛合金和复合材料表面都不具有自清洁性（疏水性能）。因此，制各出疏水钛合金表面和复合材料表面，对拓展钛合金和复合材料在上述领域中的应用以及满足特殊应用需求具有重要意义。目前，超快激光技术，特别是飞秒激光微纳加工技术，具有超快时间分辨、超高峰值功率密度和超高聚焦能力三大特点，突破了材料和尺寸的限制，在制备微纳结构方面的应用前景广泛，有望成为解决制备钛合金和复合材料表面微结构的有效方式。
　　针对以上需求及背景，本文采用飞秒激光微纳加工技术对钛合金和复合材料表面进行激光诱导、直写及低表面能修饰等加工处理，重点研究了飞秒激光参数对钛合金和复合材料表面微纳结构的变化规律的影响，系统表征了不同能量密度和脉冲个数等参数下的表面形貌，详细测试并分析了钛合金和复合材料的润湿性能，主要结论如下:
　　(1)随着飞秒激光能量密度和脉冲个数变化，钛合金表面所产生的微结构总是经历着四个阶段，包括无激光诱导周期表面结构阶段、经典条纹结构阶段、经典与非经典条纹共存阶段、带有经典条纹结构的微驼峰结构阶段。
　　(2)飞秒激光加工复合材料均可以在其表面制成了较为规整的菱柱或正方体阵列，菱柱边长为30μm～230μm不等，且每种角度(30°、60°、90°)参数下所加工得到菱柱的大小及其形状基本一致，但菱柱的形貌则会因能量密度、扫描间距和扫描次数的不同而有所变化。
　　(3)研究表明，飞秒激光加工所得到的具有微纳米结构钛合金表面和与疏水涂层相结合的具有微米级菱柱的复合材料表面均获得了疏水性能，分别在能量密度为0.74J/cm2、脉冲个数为256、扫描间距为30μm以及能量密度为0.37J/cm2、脉冲个数为328、扫描间距为80μm所加工钛合金和复合材料表面接触角最大，分别为148.55°和148.7°。
　　(4)疏水涂层性能检测的研究结果表明，低表面能涂层具有较强的结合力，当其与微纳结构表面作用时可以很好地降低冰的附着力，而且其具有较好的耐煤油、耐水及耐热冲击等能力。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 钛合金及复合材料特点

1．1．2 超疏水仿生表面需求

1．2 超疏水仿生表面理论基础及现状

1．2．1 仿生超疏水表面研究现状

1．2．2 表面润湿理论

1．2．3 接触状态转换

1．2．4 超疏水表面制备方法研究现状

1．3 微纳结构的飞秒激光加工研究现状

1．3．1 飞秒激光概述

1．3．2 飞秒激光诱导的微结构及形成机制

1．3．3 飞秒激光应用概况

1．3．4 飞秒激光制备疏水表面现状

1．4 研究内容和意义以及创新点

1．4．1 研究意义及内容

1．4．2 创新点

第二章 飞秒激光钛合金表面诱导技术研究

2．1 实验设计及方案

2．1．1 实验设计依据

2．1．2 实验方案

2．2 实验过程

2．2．1 实验材料及处理

2．2．2 实验及检测仪器

2．3 实验结果及分析讨论

2．3．1 离焦量影响研究

2．3．2 能量密度影响研究

2．3．3 脉冲个数影响研究

2．3．4 能量密度与脉冲个数相互影响研究

2．4 诱导微纳结构对疏水性能影响

2．4．1 诱导微纳结构的形貌分析

2．4．2 疏水性能与脉冲个数的关系

2．4．3 疏水性能与扫描间距的关系

2．5 分析与讨论

2．5．1 诱导的微纳结构机制分析

2．5．2 微纳结构对疏水性能的影响讨论

2．6 本章小结

第三章 飞秒激光复合材料直写加工技术研究

3．1 实验设计及方案

3．1．1 实验设计依据

3．1．2 实验方案

3．2 实验过程

3．2．1 实验材料及处理

3．2．2 实验及检测仪器

3．3 实验结果及分析讨论

3．3．1 能量密度的影响研究

3．3．2 柱形角度的影响研究

3．3．3 扫描间距的影响研究

3．3．4 接触角变化规律

3．4 本章小结

第四章 涂层修饰技术及性能研究

4．1 实验设计及方案

4．1．1 实验设计依据

4．1．2 实验方案

4．2 实验过程

4．3 实验结果与分析讨论

4．3．1 铜涂层修饰的疏水性能研究

4．3．2 氟硅烷涂层修饰的疏水性能研究

4．3．3 低表面能涂层修饰的疏水性能研究

4．3．4 仿生疏水表面性能分析

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况