利用皮秒激光器使鈦酸鍶表面成為超親水表面的方法
【專利摘要】利用皮秒激光器使鈦酸鍶表面成為超親水表面的方法，屬于固體材料表面改性領(lǐng)域，利用皮秒激光器對(duì)鈦酸鍶晶體表面浸潤(rùn)性的改變，使鈦酸鍶表面具有超親水特征的方法。本發(fā)明的改變鈦酸鍶表面浸潤(rùn)性的方法是在常溫下，使用皮秒激光器，對(duì)材料進(jìn)行刻蝕劃線，得到整齊的線陣列結(jié)構(gòu)，增大了材料表面的粗糙度，使材料表面的接觸角發(fā)生變化，向親水方向轉(zhuǎn)變，并達(dá)到了超親水。本發(fā)明的方法簡(jiǎn)單，可在開(kāi)放環(huán)境中進(jìn)行，制備工藝靈活，可控性高?？梢酝ㄟ^(guò)振鏡的掃描間隔，靈活控制劃線的間隔，從而控制表面的接觸角。制備過(guò)程中不用引入其它物質(zhì)，直接在材料上劃線，不影響層下材料性質(zhì)，也不產(chǎn)生環(huán)境污染。
【專利說(shuō)明】利用皮秒激光器使鈦酸鍶表面成為超親水表面的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利屬于固體材料表面改性領(lǐng)域，特別涉及利用皮秒激光器對(duì)鈦酸鍶晶體表面浸潤(rùn)性的改變，使鈦酸鍶表面接觸角成為超親水表面的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦酸鍶是一種鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)晶體，是一種用途廣泛的電子功能材料，具有介電常數(shù)高、介電損耗低、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)械和陶瓷工業(yè)。同時(shí)，作為一種功能材料，鈦酸鍶具有禁帶寬度高(3.4eV)、光催化活性優(yōu)良等特點(diǎn)，并具有獨(dú)特的電磁性質(zhì)和氧化還原催化活性，在光催化分解水制氫、光催化降解有機(jī)污染物和光化學(xué)電池等光催化領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，鈦酸鍶還作為高溫超導(dǎo)基底材料，也被廣泛應(yīng)用。作為基底材料，表面接觸角對(duì)在其上生長(zhǎng)的薄膜，有著許多的影響。因此，對(duì)于鈦酸鍶表面接觸角的研究，也是很有意義的。
[0003]目前對(duì)于鈦酸鍶晶體表面浸潤(rùn)性的改變，主要有以下這兩種方法。2000年，Masahiro Miyauchi等人,利用紫外激光福照鈦酸銀,使鈦酸銀的接觸角減小,達(dá)到在20度左右。2007年，Masahiro Miyauchi又通過(guò)化學(xué)的方法,在鈦酸銀表面制作了結(jié)晶鈦酸銀納米棒薄膜結(jié)構(gòu)，使鈦酸鍶表面的接觸角減小到5度以下，達(dá)到了超親水。這就是到目前為止，對(duì)于鈦酸鍶晶體這個(gè)材料表面接觸角改變研究的狀況。可以看出第一種方法通過(guò)激光輻照改變接觸角簡(jiǎn)單、方便，但是，并沒(méi)有達(dá)到超親水，第二種方法通過(guò)在表面制作納米棒薄膜雖然達(dá)到了超親水，但這樣的制作過(guò)程比較復(fù)雜，而且形成的是薄膜，破壞了晶體結(jié)構(gòu)，不再具有鈦酸鍶單晶的特殊性質(zhì)。
[0004]通過(guò)上面兩種方法的比較，可以看出改變表面形貌得到超親水的可能性更大一些，因此我想到了利用激光來(lái)改變鈦酸鍶表面形貌，從而得到超親水的鈦酸鍶表面。對(duì)于利用激光改變表面形貌從而改變接觸角的方法，也有不少的報(bào)道。2009年，M.Zhou等人利用飛秒激光在K9玻璃上制作微納結(jié)構(gòu)，使K9玻璃表面達(dá)到超疏水表面；2012年，Md.ShamimAhsana等人利用飛秒激光在鈉I丐玻璃上面劃微納米線,使玻璃的接觸角從100度左右達(dá)到了 150多度，達(dá)到了超疏水。從上面的介紹，可以看出目前對(duì)于在表面制作可控微納結(jié)構(gòu)從而改變接觸角的研究，還集中在飛秒激光，可是飛秒激光器過(guò)于昂貴，重復(fù)頻率低，不適用于工業(yè)生產(chǎn)。而皮秒激光具有超短脈寬，調(diào)整好加工工藝參數(shù)，其加工效果與飛秒脈沖激光無(wú)異。而且，皮秒激光器重復(fù)頻率高，加工效率高，激光輸出穩(wěn)定，加工質(zhì)量高，激光器價(jià)格相對(duì)便宜，加工成本低。具有如此多的優(yōu)點(diǎn)，因此我選擇了利用皮秒激光加工鈦酸鍶表面，在鈦酸鍶表面制作微結(jié)構(gòu)，并使接觸角達(dá)到超親水。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是利用皮秒激光劃線的方法，得到超親水的表面，制作過(guò)程簡(jiǎn)單，而且時(shí)效性好，不隨時(shí)間而改變，不破壞晶體結(jié)構(gòu)。
[0006]本發(fā)明專利解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的方案是:利用皮秒激光在清洗干凈的鈦酸鍶晶體片表面劃線，得到超親水的表面。
[0007]劃線理論上可以得到任何間隔的線陣列形貌。在鈦酸鍶晶體片表面劃線得到整齊的線排列形貌，優(yōu)選線寬50微米、兩線間的中心間距小于170微米。
[0008]具體操作方法，包括以下步驟:將鈦酸鍶晶體片，清洗，固定在陶瓷薄片上，再將樣品放置在皮秒激光所在的焦點(diǎn)位置，一開(kāi)始使光斑在樣品外，在不開(kāi)光的情況下，運(yùn)行振鏡，觀察光斑劃線的方向與位置，并調(diào)節(jié)樣品的位置，使樣品的一端與線平行，但使激光的起點(diǎn)與終點(diǎn)不要在樣品上，這可以得到完整的線排列形貌；調(diào)節(jié)好位置后，打開(kāi)激光器，等待30秒，使激光器輸出達(dá)到要求，這時(shí)運(yùn)行振鏡，進(jìn)行劃線得到線排列形貌，在此過(guò)程中，激光器的功率是10瓦、頻率是100赫茲、振鏡的掃描速率是600-1000米每秒、每條線重復(fù)次數(shù)是15-25次。
[0009]本發(fā)明線寬50微米、兩線間的中心間距小于170微米，表面接觸角都小于10度，達(dá)到了超親水表面。改變劃線的間隔，表面接觸角也隨著改變，間隔越大，接觸角越大。
[0010]與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明有明顯的創(chuàng)新性:利用皮秒激光器對(duì)鈦酸鍶晶體表面浸潤(rùn)性的改變，使鈦酸鍶表面具有超親水特征的方法。本發(fā)明的改變鈦酸鍶表面浸潤(rùn)性的方法是在常溫下，使用皮秒激光器，對(duì)材料進(jìn)行刻蝕劃線，得到整齊的線陣列結(jié)構(gòu)，增大了材料表面的粗糙度，使材料表面的接觸角發(fā)生變化，向親水方向轉(zhuǎn)變，并達(dá)到了超親水。本發(fā)明的方法簡(jiǎn)單，可在開(kāi)放環(huán)境中進(jìn)行，制備工藝靈活，可控性高。可以通過(guò)振鏡的掃描間隔，靈活控制劃線的間隔，從而控制表面的接觸角。制備過(guò)程中不用引入其它物質(zhì)，直接在材料上劃線，不影響層下材料性質(zhì)，也不產(chǎn)生環(huán)境污染。
[0011]皮秒激光劃線鈦酸鍶可在開(kāi)放環(huán)境中進(jìn)行，制備工藝靈活，工序簡(jiǎn)單，可控性高，可推廣性強(qiáng)。可以通過(guò)振鏡的掃描間隔，靈活控制劃線的間隔，從而可是控制表面的接觸角。制備過(guò)程中不用引入其它物質(zhì)，直接在材料上劃線，不影響層下材料性質(zhì)，也不產(chǎn)生環(huán)境污染。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為劃線后的樣品表面(間隔為100微米)；
[0013]圖2:間隔為100微米樣品的接觸角測(cè)量圖；
[0014]圖3:間隔為150微米樣品的接觸角測(cè)量圖；
[0015]圖4:間隔為170微米樣品的接觸角測(cè)量圖；
[0016]圖5:間隔為180微米樣品的接觸角測(cè)量圖；
[0017]圖6:間隔為190微米樣品的接觸角測(cè)量圖；
[0018]圖7:間隔為200微米樣品的接觸角測(cè)量圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步詳細(xì)描述，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。以下實(shí)施例的激光器的功率是10瓦、頻率是100赫茲、振鏡的掃描速率是800米每秒、每條線重復(fù)次數(shù)是15次。
[0020]實(shí)施例1
[0021]選一片清洗后的的太酸鍶單晶片，固定在平整的陶瓷片上，放置在激光器的焦點(diǎn)上。調(diào)節(jié)振鏡參數(shù)，使劃線間隔為100微米，運(yùn)行振鏡，調(diào)節(jié)樣品，開(kāi)光，再運(yùn)行振鏡，得到線寬為50微米，線中心距離為100微米的表面形貌。
[0022]利用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量此時(shí)的接觸角，得到結(jié)果為1.6度。因此，可以說(shuō)此時(shí)的表面是超親水表面。
[0023]實(shí)施例2
[0024]選一片清洗后的的太酸鍶單晶片，固定在平整的陶瓷片上，放置在激光器的焦點(diǎn)上。調(diào)節(jié)振鏡參數(shù)，使劃線間隔為150微米，運(yùn)行振鏡，調(diào)節(jié)樣品，開(kāi)光，再運(yùn)行振鏡，得到線寬為50微米，線中心距離為150微米的表面形貌。
[0025]利用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量此時(shí)的接觸角，得到結(jié)果為5.9度，見(jiàn)圖1和圖2，因此，可以說(shuō)此時(shí)的表面是超親水表面。
[0026]實(shí)施例3
[0027]選一片清洗后的的太酸鍶單晶片，固定在平整的陶瓷片上，放置在激光器的焦點(diǎn)上。調(diào)節(jié)振鏡參數(shù)，使劃線間隔為170微米，運(yùn)行振鏡，調(diào)節(jié)樣品，開(kāi)光，再運(yùn)行振鏡，得到線寬為50微米，線中心距離為170微米的表面形貌。
[0028]利用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量此時(shí)的接觸角，得到結(jié)果為5.8度。因此，可以說(shuō)此時(shí)的表面是超親水表面。
[0029]實(shí)施例4
[0030]選一片清洗后的的太酸鍶單晶片，固定在平整的陶瓷片上，放置在激光器的焦點(diǎn)上。調(diào)節(jié)振鏡參數(shù)，使劃線間隔為180微米，運(yùn)行振鏡，調(diào)節(jié)樣品，開(kāi)光，再運(yùn)行振鏡，得到線寬為50微米，線中心距離為180微米的表面形貌。
[0031]利用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量此時(shí)的接觸角，得到結(jié)果為20度左右。
[0032]實(shí)施例5:
[0033]選一片清洗后的的太酸鍶單晶片，固定在平整的陶瓷片上，放置在激光器的焦點(diǎn)上。調(diào)節(jié)振鏡參數(shù)，使劃線間隔為190微米，運(yùn)行振鏡，調(diào)節(jié)樣品，開(kāi)光，再運(yùn)行振鏡，得到線寬為50微米，線中心距離為190微米的表面形貌。
[0034]利用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量此時(shí)的接觸角，得到結(jié)果為25度左右。
[0035]實(shí)施例6
[0036]選一片清洗后的的太酸鍶單晶片，固定在平整的陶瓷片上，放置在激光器的焦點(diǎn)上。調(diào)節(jié)振鏡參數(shù)，使劃線間隔為200微米，運(yùn)行振鏡，調(diào)節(jié)樣品，開(kāi)光，再運(yùn)行振鏡，得到線寬為50微米，線中心距離為200微米的表面形貌。
[0037]利用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量此時(shí)的接觸角，得到結(jié)果為49度。實(shí)施例2-6的接觸角測(cè)量圖見(jiàn)圖3-7。
【權(quán)利要求】
1.利用皮秒激光器使鈦酸鍶表面成為超親水表面的方法，其特征在于，利用皮秒激光在清洗干凈的鈦酸鍶晶體片表面劃線，得到超親水的表面。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在鈦酸鍶晶體片表面劃線得到整齊的線排列形貌，優(yōu)選線寬50微米、兩線間的中心間距小于170微米。
3.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，包括以下步驟:包括以下步驟:將鈦酸鍶晶體片，清洗，固定在陶瓷薄片上，再將樣品放置在皮秒激光所在的焦點(diǎn)位置，一開(kāi)始使光斑在樣品外，在不開(kāi)光的情況下，運(yùn)行振鏡，觀察光斑劃線的方向與位置，并調(diào)節(jié)樣品的位置，使樣品的一端與線平行，但使激光的起點(diǎn)與終點(diǎn)不要在樣品上，這可以得到完整的線排列形貌；調(diào)節(jié)好位置后，打開(kāi)激光器，等待30秒，使激光器輸出達(dá)到要求，這時(shí)運(yùn)行振鏡，進(jìn)行劃線得到線排列形貌，在此過(guò)程中，激光器的功率是10瓦、頻率是100赫茲、振鏡的掃描速率是600-1000米每秒、每條線重復(fù)次數(shù)是15-25次。
【文檔編號(hào)】B23K26/362GK103769750SQ201410030302
【公開(kāi)日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2014年1月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月22日
【發(fā)明者】蔣毅堅(jiān), 丁杰, 趙艷, 季凌飛 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)