[發(fā)明專(zhuān)利]超疏水表面的飛秒激光燒蝕-表面覆膜的復(fù)合加工方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111391320.0
• 申請(qǐng)日: 2021-11-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114211121A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-03-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃小平;楊鎮(zhèn)源;陳若童;陳世爭(zhēng);趙青
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B23K26/36
• 分類(lèi)號(hào): B23K26/36;B23K26/352;B23K26/60;C23C16/26;C23C16/02
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專(zhuān)利中心 51203
• 代理人: 鄧?yán)?/td>

本發(fā)明公開(kāi)了一種超疏水表面的飛秒激光燒蝕?表面覆膜的復(fù)合加工方法，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明首先采用飛秒脈沖激光刻蝕基底材料樣品表面，得到具有微納陣列表面的材料樣品；然后在具有微納陣列表面的材料樣品上涂覆上一層低能態(tài)疏水薄膜，得到低能態(tài)疏水薄膜?微納陣列結(jié)構(gòu)表面復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)物理疏水和化學(xué)疏水的綜合疏水性能。該方法結(jié)合了飛秒激光刻蝕技術(shù)及低能態(tài)疏水薄膜涂覆技術(shù)，具有加工精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、制備快速高效等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各種復(fù)合物表面微納陣列的加工。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及超疏水表面的飛秒激光燒蝕-表面覆膜的復(fù)合加工方法。

背景技術(shù)

在海洋、空、天等特種環(huán)境下，各種裝備由于長(zhǎng)期暴露在潮濕、灰塵、鹽霧等惡劣環(huán)境下使用，其表面易于發(fā)生化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，這將大大降低裝備的使用效果和有效壽命。因此，急需開(kāi)展金屬、復(fù)合材料涂層表面超疏水處理關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)工作，為超疏水材料大規(guī)模應(yīng)用提供切實(shí)可行的方案。

據(jù)研究，自然生物具有各種各樣的超疏水功能。荷葉上表面是最典型的超疏水表面，因其有自清潔功能而獲得了“出淤泥而不染”的美名。1997年，德國(guó)植物學(xué)家Barthlott和Neinhuis通過(guò)對(duì)荷葉的研究，發(fā)現(xiàn)荷葉表面具有復(fù)合微納二級(jí)乳突結(jié)構(gòu)，這種復(fù)合微納二級(jí)乳突結(jié)構(gòu)及其表面納米量級(jí)的蠟狀晶體使得荷葉表面具有超強(qiáng)的疏水能力和自清潔能力。另外，還有很多仿生超疏水現(xiàn)象，如水黽能夠站立于水面之上、水滴能夠高度粘附到玫瑰花瓣表面、蚊子的復(fù)眼可以防霧、水滴落于翅膀上沿翅膀定向向外滾落等等，這些動(dòng)植物逐漸演化出對(duì)抗極端條件的特殊結(jié)構(gòu)表面。受自然界中各種生物疏水現(xiàn)象的啟發(fā)，仿生制備具有超疏水功能的表面引起了研究者們的廣泛關(guān)注，其在自清潔、油水分離、防污、防結(jié)冰、防腐蝕等領(lǐng)域均具有重要的應(yīng)用前景。

更加詳細(xì)的研究表明，材料表面的超疏水性是由其表面的低表面能物質(zhì)和微納粗糙結(jié)構(gòu)共同決定的。因此，表面超疏水性能的實(shí)現(xiàn)也主要基于這兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和制備。目前采取的制備途徑主要有噴涂法、溶膠凝膠法、自組裝法、電化學(xué)刻蝕法、模板復(fù)制法、水熱法等，但是上述方法在制備過(guò)程中均存在一些問(wèn)題，如對(duì)基材具有選擇性、制備步驟繁瑣、使用化學(xué)溶劑等。另外，超疏水表面的潤(rùn)濕性主要由其微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成共同決定，所以當(dāng)材料表面微觀結(jié)構(gòu)被損壞或低表面能涂層經(jīng)外力摩擦遭到損耗時(shí)，其疏水性能將會(huì)大大減弱。因此，制備耐磨損且穩(wěn)定的超疏水材料關(guān)鍵就在于如何能夠在機(jī)械力及其他重復(fù)循環(huán)損壞后仍然使其表面保持良好的非潤(rùn)濕性。因此，開(kāi)發(fā)一種快速制備具有穩(wěn)定超疏水性能表面的方法對(duì)于實(shí)際大規(guī)模應(yīng)用具有重要的意義。

近年來(lái)，由于飛秒激光技術(shù)的快速發(fā)展，飛秒激光微納加工已被廣泛應(yīng)用于材料表面微納粗糙結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑。在整個(gè)激光加工過(guò)程中，其熱效應(yīng)小，加工精度高，能夠通過(guò)無(wú)接觸的加工方式直接在材料表面形成各種預(yù)先設(shè)計(jì)好的微納結(jié)構(gòu)圖案。同時(shí)，由于其具有超短的脈沖寬度和超高的峰值功率，還可以對(duì)現(xiàn)有的大多數(shù)固體材料，如半導(dǎo)體、金屬、陶瓷、硅片、玻璃、聚合物、生物組織等進(jìn)行加工，不受加工材料限制。基于上述特點(diǎn)，采用飛秒激光在材料表面構(gòu)筑穩(wěn)定的微納復(fù)合二元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)超疏水表面的制備在實(shí)際應(yīng)用中具有重要的意義。

飛秒激光能夠通過(guò)燒蝕熔融的方式在大多數(shù)固體材料表面直接形成微納粗糙結(jié)構(gòu)，因此，對(duì)于本征疏水性的固體材料，經(jīng)飛秒激光燒蝕熔融后即可實(shí)現(xiàn)表面的超疏水性能；而對(duì)于本征親水性的材料，經(jīng)飛秒激光處理后，需要再次經(jīng)過(guò)低表面能處理才能實(shí)現(xiàn)材料表面的超疏水性能。飛秒激光技術(shù)在微納加工領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使得其成為目前制備超疏水表面的一種有效途徑。但是，該研究領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展仍然存在以下問(wèn)題：

(1)飛秒激光微納結(jié)構(gòu)的加工速度較慢，比較耗時(shí)，提高其加工效率非常重要；

(2)超疏水結(jié)構(gòu)功能單一且穩(wěn)定性不強(qiáng)，不能滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。

因此，探索飛秒激光微納加工及后續(xù)表面涂覆技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)微納陣列結(jié)構(gòu)表面的物理方法疏水和低能態(tài)覆膜的化學(xué)方法疏水的結(jié)合，對(duì)于實(shí)現(xiàn)各種基材表面的超疏水性具有重要的意義。

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