一种利用超快激光技术制备金属超疏水仿生表面方法

摘要

本发明公开了一种利用超快激光技术制备金属超疏水仿生表面方法，涉及仿生表面制造技术领域，包括以下步骤：金属样件进行机械研磨及抛光；金属样件进行超声波清洗；将超快激光更换为圆偏振滤光镜，然后进行微纳结构诱导处理；金属样件进行减阻微结构加工；将加工后的金属样件进行超声波清洗，之后放入氟硅烷液体溶液中浸泡，取出吹干。该方法充分利用了飞秒激光微纳加工技术特点，成功地制备了同时具有超疏水和减阻形貌的表面，最大限度的减少飞行环境下水滴在金属表面的停留，从而达到防潮、防冰效果最大化。

说明书

技术领域

本发明涉及仿生表面制造技术领域，具体涉及一种利用超快激光技术制备金属超疏水仿生表面方法。

背景技术

如果金属表面具有超疏水功能，将使其在防水、防潮、防腐及防冰雪等方面应用具有较大潜力，自然界中的一些动植物表皮给了我们重要启示，这些表皮具有超疏水、自清洁及减阻等功能。研究表明在水中游动的鱼类或在空气中飞行的鸟类具有低阻力和低噪声特性，并具备超疏水特征，这种特性与生物体表的形态密切相关。典型生物表皮如鲨鱼皮结构，其表面宏观上看是排列整齐的沟槽状结构，进一步放大会发现其表面许多整齐排列的“皮质鳞突”组成，这些鳞突在长度方向有凹槽，可以调整水在其表面的流动。这些凹槽同时可阻止漩涡或者是湍流旋涡的形成，同时鲨鱼表面还会分泌一种低表面能的粘液，从而使其游动是具有较小的阻力。另外此类结构还具有疏水自清洁功能，如：以荷叶为典型代表的植物叶表面，它是由表面疏水的蜡状物质材料和微纳复合结构的乳突共同引起的，在扫描电镜下，我们可以看到荷叶表面是由许多间距为20-50μm，平均直径为5-9μm的乳突构成，而每个乳突表面又布满平均直径为124.3nm左右的纳米结构，并在乳突之间也同样布满纳米结构，这使得它具有超疏水功能，其与水的接触角达到162°左右，滚动角小于2°，灰尘等表面污染物可以被滚落的水滴带走而不留下任何痕迹。科研工作者对于动植物表面超疏水及减阻功能研究表明：其功能的实现主要有两个因素决定：一个是表皮为低表面能材料或分泌出低表面能液体，另一个则是表皮上具有超疏水或减阻的微纳二级结构。

基于上述两个原则，科研工作者进行了较为广泛的研究。采用机械加工（见专利1：CN201610217538.7，一种超疏水金属表面的制备方法，该方法首先在钛及其合金、铝及其合金等表面打磨预处理以获得具有一定微纳米结构的表面，然后使用硅烷或硅氧烷在基体表面进行修饰，通过此种方法可以获得与水接触角为160°左右的超疏水金属表面）、颗粒填充及自组装等化学法、等离子刻蚀、化学腐蚀以及光刻等多种方法制备了仿生表面，这些方法制备的表面按照其结构状态可以分为有序微结构和无序微结构两种。有序微结构更可控，可以通过调节其尺寸、形貌、疏密及排布来调控表面的功能，因此得到更广泛关注。近些年发展出来的超快激光技术，由于具有超快、超强及类冷加工特性而得到广泛研究。采用超快激光对金属表面进行微纳仿生制造通常有两种技术，一种是超快激光直写技术，它是一种无掩膜加工，在计算机内输入所需加工图形的扫描路径和参数，然后直接用激光扫描材料表面，刻出所需图形；另一种是激光诱导技术，采用超快激光直接辐照材料表面，由于波长、电场偏振、脉宽共同作用，产生辐照损伤，从而形成周期性微纳结构。目前对于超疏水或减阻表面采用较多的是超快激光直写技术，首先在金属表面采用超快激光直写出所需的微纳结构，然后再进行低表面能修饰，进而形成具有超疏水自清洁或减阻的仿生表面。

近年来，轻质金属（如钛合金）在各个领域的应用越来越广泛，所以对其超疏水防潮及防冰性能的提升以及环境适用性也提出了更高的要求。目前的超快激光超疏水表面研究和技术多集中于普通环境下的超疏水表面制造，适于飞行环境下的超疏水表面未见，如飞行器飞行环境下的超疏水表面制造，这种飞行环境下的超疏水防潮防冰必然与地面自然环境状态有所不同，出现地面自然环境状态下无冰层出现，而在飞行状态超疏水表面仍有较厚冰层的现象。目前的所有超疏水仿生表面并未考虑到这一点，多采用荷叶仿生结构，如：类玫瑰花型结构，专利2：CN201410657627.4，一种超疏水高粘附金属表面及其制备方法，利用超短激光烧蚀金属基材，在金属材料表面形成得到周期性的类玫瑰花微纳米结构，然后再在加工后的金属表面修饰低表面能物质—甲醇溶液，即可获得超疏水并且高粘附的金属表面，虽然此种方法可以制造出超疏水表面，但是没有考虑流体对这种表面超疏水性能影响，其在飞行环境中效果有限。专利3：CN200910021923.4，飞秒激光制备金属表面超疏水微结构的方法，用飞秒激光辐射场在金属靶材表面上制备超疏水周期性微/纳米结构。金属表面周期性微/纳米结构制备时先将金属靶材固定在二维精密位移台上，然后将一束飞秒激光经物镜或透镜聚焦，并使之作用于金属靶材上，通过飞秒激光诱导结合二维精密位移台移动，产生微/纳米周期性微结构。文献1：金属仿生功能微结构的激光制备与研究，吴勃，江苏大学学位论文，基于润湿性能的几何分析方法，采用飞秒激光对不锈钢表面进行了微结构加工，然后通过硅烷进行处理，获得了类似荷叶表面乳突状双尺度结构的表面，具有极高的表观接触角和极小的滚动角。也没有考虑流体对这种表面超疏水性能影响。

综合目前密切相关专利及文献，对金属进行超快激光微纳加工的技术，均采用线偏振方式进行扫描，制备的微纳结构均为类荷叶乳突或玫瑰花等典型超疏水形貌，未考虑流体使用环境下此种超疏水仿生表面如何设计，未结合类鲨鱼皮或海豚皮等减阻形貌。如果想实现适于飞行环境下的超疏水表面，一方面需要模仿荷叶表皮状态，另一方面还要考虑流场影响，可以将鲨鱼皮等减阻生物表皮微结构结合进来，从而减少微结构对空气中微小水滴的阻力，减少其在表面粘附，提高其防潮及防冰效果，如降低结冰量和结冰厚度等。

为此本专利首先采用超快激光诱导技术，并采用圆偏振方式扫描，在金属表面形成微米级“类枣核状乳突”，并且其上有条纹状纳米结构，从而提高其流体力学性能，然后再采用超快激光直写技术在其上扫描加工出沟槽形或菱形等减阻微结构，通过两种形状微纳结构的复合，提升超疏水金属表面减阻能力，减少液滴停留，进而增强其在飞行环境下的防潮及防冰能力。另外，如果在上述工艺处理完后，再采用氟硅烷等低表面能材料进行修饰，其效果更佳。

本发明中，针对超快激光金属仿生表面加工，未考虑流体使用环境下此种超疏水仿生表面如何设计，防潮及防冰效果欠佳的不足，首先采用超快激光诱导技术，并采用圆偏振方式扫描，在金属表面形成微米级“类枣核状乳突”，并且其上有条纹状纳米结构，弥补普通诱导超疏水形貌在流体力学性能上的不足，然后再采用超快激光直写技术在其上扫描加工出沟槽形或菱形等减阻微结构，通过两种形状微纳结构的复合，解决超疏水金属表面在飞行环境下应用局限性，减少液滴阻力及停留，进而增强其在飞行环境下的防潮及防冰能力，扩大超疏水表面的应用范围。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用超快激光技术制备金属超疏水仿生表面方法。

本发明解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：一种利用超快激光技术制备金属超疏水仿生表面方法，包括以下步骤：（1）、预处理：将待加工的金属样件用砂纸进行机械研磨及抛光；

（2）、清洗：将抛光好的金属样件进行超声波清洗，得到洁净的金属样品；

（3）、诱导处理：将超快激光更换为圆偏振滤光镜，然后超快激光对洁净的金属样件的表面进行微纳结构诱导处理；

（4）、表面加工：将超快激光对诱导处理后的金属样件进行减阻微结构加工；

（5）、再清洗：将加工后的金属样件进行超声波清洗，之后放入氟硅烷液体溶液中浸泡，取出吹干。

优选的，所述步骤（2）和所述步骤（5）在超声波清洗之后均采用冷风吹干。

优选的，所述步骤（3）中所述超快激光的激光入射方向与金属样件表面垂直，其激光扫描轨迹要与金属样件所受风向平行。

优选的，所述步骤（4）中的所述减阻微结构为沟槽状或菱形。

优选的，所述菱形结构的加工中，超快激光激光入射方向与所述金属样件表面垂直，其扫描轨迹为相互交叉的第一轨迹、第二轨迹、第三轨迹与第四轨迹，其中第一轨迹与第二轨迹相平行，第三轨迹与第四轨迹相平行，第一轨迹与第三轨迹之间的夹角呈锐角，扫描得到的菱形的两个小锐角端的连线与金属样件所受风向平行。

优选的，所述沟槽状结构的加工中，超快激光激光入射方向与所述金属样件表面垂直，其扫描轨迹为第五轨迹，第五轨迹与金属样件所受风向平行。

有益效果是：本发明中提出超疏水微纳结构形貌与减阻微结构形貌充分复合，提升超疏水金属表面减阻能力，减少液滴停留，进而增强其在飞行环境下的防潮及防冰能力。采用圆偏振激光扫描方式，制备具有超疏水功能且流体力学性能优异的“类枣核状乳突”微纳二级结构。将超快激光诱导技术与超快激光直写技术复合，在金属表面诱导形成“类枣核状乳突”微纳二级结构后，进行超快激光直写沟槽或菱形减阻微结构制备，从而实现同时具有超疏水微纳结构与减阻微结构的表面。

附图说明

图1为本发明一种利用超快激光技术制备金属超疏水仿生表面方法的超快激光加工基金金属样件示意图；

图2为本发明一种利用超快激光技术制备金属超疏水仿生表面方法的激光诱导扫描轨迹；

图3为本发明一种利用超快激光技术制备金属超疏水仿生表面方法的类枣核状乳突微纳结构示意图；

图4为本发明一种利用超快激光技术制备金属超疏水仿生表面方法的超快激光直写菱形微结构扫描轨迹；

图5为本发明一种利用超快激光技术制备金属超疏水仿生表面方法的“类枣核状乳突”超疏水结构与“沟槽”减阻微结构复合示意图；

图6为本发明一种利用超快激光技术制备金属超疏水仿生表面方法的“类枣核状乳突”超疏水结构与“菱形”减阻微结构复合示意图；

其中1，金属样件；2，超快激光；3，风向；4，第一轨迹；5，第二轨迹；6，第三轨迹；7，第四轨迹；8，第五轨迹；9，沟槽微结构；10，菱形微结构；11，菱形微结构间沟槽；12，类枣核状乳突；13，纳米级条纹。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。

实施例1

本发明一种利用超快激光技术制备金属超疏水仿生表面方法的具体实施方式：一种利用飞秒激光在铝合金上制备“类枣核状乳突”超疏水微纳结构与“沟槽”减阻微结构复合仿生表面方法：

（1）、将待加工的铝合金样品分别用不同型号的砂纸按照先小到大（400#、800#、2000#）的顺序依次进行研磨，然后采用抛光布进行抛光处理，直到样品有较亮的金属色泽；

（2）、将抛光好的铝合金样品置于盛有去离子水或者酒精溶液的超声波清洗仪中清洗30min，清洗干净后用冷风将其表面吹干，得到洁净的铝合金样品；

（3）、如图1所示，将飞秒激光器换上圆偏振滤光镜，对铝合金样件进行激光诱导加工，调节好飞秒激光器相关的工艺及加工参数：激光波长780nm，频率1kHz，脉宽240fs，焦距为50mm，飞激光光束垂直于被加工材料表面，激光扫描路径如图2所示，为第五轨迹8，与金属样件所受风向3相同，正离焦3mm，激光功率0.7W，扫描速度为400mm/min，扫描间距0.1mm，从而诱导出“类枣核状乳突12”微纳二级结构形貌，如图3所示；

（4）、在铝合金样件诱导处理后，再采用超快激光2直写技术进行沟槽状微结构加工，激光入射方向仍与样件表面垂直，激光扫描路径与诱导路径相同，如图2所示，飞秒激光功率为1W，离焦量0mm，扫描速度为200mm/min，扫描间距0.25mm，其它参数与激光诱导参数相同；

（5）、在上述工艺进行完之后，再次将铝合金样件置于盛有去离子水或者酒精溶液的超声波清洗仪中清洗30min，冷风吹干；

（6）、将吹干后的铝合金样件放入氟硅烷液体溶液中浸泡6小时后，取出吹干。

实施例2

本发明一种利用超快激光2技术制备金属超疏水仿生表面方法的具体实施方式：一种利用皮秒激光在钛合金上制备“类枣核状乳突12”超疏水微纳结构与“菱形”减阻微结构复合仿生表面方法：

（1）、将待加工的钛合金样品分别用不同型号的砂纸按照先小到大（400#、800#、2000#）的顺序依次进行研磨，然后采用抛光布进行抛光处理，直到样品有较亮的金属色泽；

（2）、将抛光好的钛合金样品置于盛有去离子水或者酒精溶液的超声波清洗仪中清洗30min，清洗干净后用冷风将其表面吹干，得到洁净的钛合金样品；

（3）、将皮秒激光器换上圆偏振滤光镜，对钛合金样件进行激光诱导加工，调节好皮秒激光器相关的工艺及加工参数：激光波长1033nm，频率50kHz，脉宽3ps，焦距为150mm，皮秒激光光束垂直于被加工材料表面，激光扫描路径如图2所示，正离焦4mm，激光功率5W，扫描速度为600mm/min，扫描间距0.2mm；

（4）、在钛合金样件诱导处理后，再采用超快激光2直写技术进行菱形微结构10加工，激光入射方向仍与样件表面垂直，激光扫描路径如图4所示，分别为第一轨迹4、第二轨迹5、第三轨迹6与第四轨迹7，皮秒激光功率为10W，离焦量0mm，扫描速度为1000mm/min，扫描间距0.5mm，其它参数与激光诱导参数相同；

（5）、在上述工艺进行完之后，再次将钛合金样件置于盛有去离子水或者酒精溶液的超声波清洗仪中清洗30min，冷风吹干；

（6）、将吹干后的钛合金样件放入氟硅烷液体溶液中浸泡6小时后，取出吹干。

实施例1中得到了如图5所示的铝合金的超疏水仿生表面结构，铝合金的表面上有沟槽微结构9。利用接触角测量仪测量了样品的水接触角和滚动角，水接触角可达160°，滚动角为0°，采用低速风洞（30m/s）进行了减阻性能测试，减阻率可达3%。

实施例2中得到了如图6所示的钛合金的超疏水仿生表面结构，钛合金的表面上有菱形微结构10以及菱形微结构间沟槽11。利用接触角测量仪测量了样品的水接触角和滚动角，水接触角可达165°，滚动角为0°，采用低速风洞（30m/s）进行了减阻性能测试，减阻率可达7%。

基于上述， 超快激光2具有脉冲超短、峰值超强的特点，在加工材料时热效应极小，可以实现类似冷加工，因此可以对几乎所有材料进行加工。首先实施例1中采用飞秒激光，实施例2中采用皮秒激光，进行超快激光2诱导技术，并采用圆偏振方式扫描，如实施例1中的铝合金与实施例2中的钛合金，在金属样件1表面形成微米级“类枣核状乳突12”，并且其上有纳米级条纹结构13，弥补普通诱导超疏水形貌在流体力学性能上的不足，然后再采用超快激光2直写技术在其上扫描加工出沟槽形或菱形等减阻微结构，通过两种形状微纳结构的复合，解决超疏水金属表面在飞行环境下应用局限性。该方法充分利用了飞秒激光微纳加工技术特点，成功地制备了同时具有超疏水和减阻形貌的表面，最大限度的减少飞行环境下水滴在金属表面的停留，从而达到防潮、防冰效果最大化。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。