[發明專利]一種超疏水高粘附金屬表面及其制備方法

有效

• 申請號: 201410657627.4
• 申請日: 2014-11-18
• 公開（公告）號: CN104439708A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 鐘敏霖;龍江游;張紅軍
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: B23K26/352
• 分類號: B23K26/352
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 關暢;王春霞

技術領域

本發明涉及一種超疏水高粘附金屬表面及其制備方法，屬于金屬基材表面處理領域。

背景技術

受到大自然中各種生物的啟發，超疏水現象受到了越來越多的關注。超疏水是指表面上水的表觀接觸角大于150°的一種表面現象。在自然界中，許多動植物的表面都具有超疏水的特性，其中，荷葉和玫瑰花的表面是兩種典型的超疏水表面。荷葉具有“出污泥而不染”的自清潔功能，水滴能夠很輕易的在荷葉表面滾動，帶走表面的灰塵。而玫瑰花的表面則具有高粘附性，水滴幾乎不能在它的表面移動。荷葉和玫瑰花表面對水的不同粘附性是由于它們不同的表面微觀結構導致的。荷葉表面是由直徑約為5～9μm的微米級乳突和直徑約為100～200nm的納米級蠟絲構成的，這種微納復合結構配合表面低自由能的蠟質，使得水不能進入微米凸起之間的凹陷，在這些凹陷處會形成納米級的空氣層，使得荷葉表面具有超疏水自清潔的特性。而玫瑰花的表面是由大量微米突出構成的，這些微米突出的直徑約為16μm，高度約為7μm，在這些微米突出上同時覆蓋有寬度約為700nm的納米褶皺，這種結構使得水能夠部分進入微米柱之間的凹陷，形成具有高粘附性的超疏水表面。這種高粘附性的超疏水表面有利于在微區中對水滴進行操作，在微量液體的無損轉移，微流體控制和生物傳感等方面都表現出了良好的應用前景。相對于自清潔的超疏水表面而言，高粘附的超疏水表面的研究較少。目前的研究主要集中于下述兩個方面：1)、利用化學手段復制玫瑰花、花生葉等高粘附超疏水表面的微觀結構來獲得高粘附的超疏水表面；2)、通過控制表面化學成分來調控表面粘附力大小，獲得超疏水高粘附表面。

發明內容

本發明的目的是提供一種超疏水高粘附金屬表面及其制備方法，本發明利用高功率皮秒激光或飛秒激光在金屬表面制備類玫瑰花表面微觀結構的周期性微納米結構，配合表面低自由能物質的修飾，實現超疏水高粘附金屬表面的制備；并且本發明還可實現金屬表面粘附性的調控，通過調整激光參數，改變周期性微納米結構的尺寸，從而調節最終金屬表面對水的粘附性。

本發明所提供的超疏水高粘附金屬表面的制備方法，包括如下步驟：

1)用超短脈沖激光燒蝕金屬基材，經過激光燒蝕去除，在所述金屬基材的表面得到類玫瑰花表面微觀結構；

所述類玫瑰花表面微觀結構為周期性微納米結構，具體為微米級突出和所述微米級突出表面的納米級亞結構；

2)在經步驟1)處理后的具有所述類玫瑰花表面微觀結構的所述金屬基材的表面上修飾低表面能物質，至此，即得到所述超疏水高粘附金屬表面。

上述的方法中，所述金屬基材的材質可為銅、銅合金、鋁合金、鎂合金、鋼或鈦合金。

上述的方法中，所述超短脈沖激光可為皮秒激光和/或飛秒激光；

上述的方法中，所述超短脈沖激光可為紅外光、可見光或紫外光。

上述的方法中，所述皮秒激光的脈沖寬度可為0.9～20皮秒，重復頻率可為1K～4MHz，平均功率可為1W～400W，能流密度可為0.5J/cm²～5J/cm²；

所述飛秒激光的脈沖寬度可為300～900飛秒，如800飛秒，重復頻率可為1K～1MHz，如400KHz，平均功率可為1W～100W，如40W，能流密度可為0.5J/cm²～5J/cm²，如1.42J/cm²。

上述的方法中，所述類玫瑰花表面微觀結構可通過下述1)或2)的方法制備：

1)、固定所述金屬基材，所述超短脈沖激光經掃描振鏡掃描燒蝕所述金屬基材形成所需面積的所述類玫瑰花表面微觀結構；

2)、固定所述超短脈沖激光，所述超短脈沖激光燒蝕所述金屬基材，所述金屬基材經數控X-Y平臺移動形成所需面積的所述類玫瑰花表面微觀結構。

上述的方法中，所述低表面能物質可為1H,1H,2H,2H-全氟癸基三甲氧基硅烷。

上述的方法中，可采用如下方法實現所述低表面能物質的修飾：

將經步驟1)處理后的具有所述類玫瑰花表面微觀結構的所述金屬基材浸泡(至少5小時以上)于所述低表面能物質的甲醇溶液中；然后經干燥即得。

上述的方法中，所述低表面能物質的甲醇溶液的質量百分含量可為0.5％～5％，如1％；

所述干燥的溫度可為80℃～120℃，時間可為1～2小時，如在90℃下干燥1小時，且在烘箱中進行。