一種金屬基底梯度潤濕表面的激光制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及功能材料領(lǐng)域及其激光制備方法，特別是涉及一種金屬基底梯度潤濕表面的激光制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]梯度潤濕性功能材料是一種通過表面化學(xué)組分和表面形貌結(jié)構(gòu)連續(xù)變化達(dá)到表面物理和化學(xué)性能沿平行于表面方向連續(xù)變化的材料。在對水的潤濕性能發(fā)生梯度變化的材料表面上，水在梯度方向受到的表面張力不相等，導(dǎo)致水存在由低表面能處向高表面能處自動(dòng)流動(dòng)的趨勢和能力。因而梯度潤濕表面在生物相容性、診斷學(xué)、納米摩擦學(xué)、微流體、液體自運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，尤其在液滴和微流體移(流)動(dòng)以及強(qiáng)化氣相滴狀凝結(jié)換熱過程和微熱管散熱性能方面有重要的應(yīng)用。
[0003]目前，梯度潤濕表面的制備方式主要分為控制表面化學(xué)組成和改變表面微觀形貌兩種，通過氣相沉積、化學(xué)修飾法以及光照法等能夠使表面的分子活性發(fā)生梯度變化，從而形成梯度表面。但僅通過改變表面化學(xué)組成制備出的梯度結(jié)構(gòu)耐熱性不佳，在加熱的情況下梯度結(jié)構(gòu)將會失效。而通過改變表面微觀形貌制備出的梯度潤濕結(jié)構(gòu)由于其微結(jié)構(gòu)受溫度的影響不大，因而在加熱的條件下仍能保持良好的梯度潤濕性能，故改變表面微觀形貌的方法更適用于如微熱管等在高溫條件下工作的梯度潤濕表面的制備。通過改變表面微觀形貌的方法主要有聚合物熔融法、離子聚合法和激光刻蝕法。使用聚合物熔融法制備的梯度表面在高溫的工作條件下耐久性較差，而且跟離子聚合法一樣，梯度表面上潤濕性能的分布不能隨意調(diào)配，這對梯度表面性能的優(yōu)化起到一定的限制。再有，僅僅通過改變微觀形貌的方法制備的梯度潤濕表面，其表面潤濕性能(接觸角)的變化范圍較小，則其由表面潤濕性能梯度提供的驅(qū)動(dòng)力不明顯。
[0004]基于激光加工技術(shù)的優(yōu)越性，本發(fā)明提出使用激光對金屬基板進(jìn)行刻蝕的方法制備金屬基底的梯度潤濕表面，其原理為使用激光刻蝕的方法改變金屬表面的微結(jié)構(gòu)，在同一金屬表面中制備出不同的微結(jié)構(gòu)，基于Wenzel模型改變表面的粗糙度的分布實(shí)現(xiàn)對表面潤濕性能的調(diào)控；另一方面，在使用激光制備表面微結(jié)構(gòu)的同時(shí)，通過激光高能束的輻照作用能使金屬表面發(fā)生氧化，改變金屬表面分子活性，通過改變激光刻蝕溝槽的疏密實(shí)現(xiàn)對表面氧化物占金屬表面的百分比的控制，從而通實(shí)現(xiàn)對表面潤濕性能的調(diào)控。另外控制激光加工過后的表面與水浸泡的時(shí)間也能控制其表面的潤濕性能，以金屬銅為例，通過激光輻照后通表面會生成親水氧化物CuO (CA = 20° )，該氧化物與空氣接觸后會轉(zhuǎn)化為疏水氧化物Cu20(CA = 100° )，在其他金屬中能觀測到類似的現(xiàn)象，因而使用控制基板與水浸泡的時(shí)間能實(shí)現(xiàn)對金屬表面氧化物疏水與親水的轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)對金屬表面潤濕性能的控制。本發(fā)明通過先使用激光在金屬表面刻蝕出微結(jié)構(gòu)，同時(shí)改變表面的分子活性與微觀形貌，再結(jié)合基板與水的浸泡，實(shí)現(xiàn)對金屬基板上接觸角跨度大(CA160。?5° )的梯度潤濕表面的制備。
[0005]該方法優(yōu)點(diǎn)在于(I)激光刻蝕的方法能適用于與大部分的金屬，不存在化學(xué)修飾等方法只能一種試劑只適用于一種金屬的缺點(diǎn)。(2)通過激光刻蝕的方法能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對表面微觀結(jié)構(gòu)以及表面化學(xué)組分的改變，具有加工效率高，加工表面性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)。(3)不需要使用額外的化學(xué)試劑，是一種綠色環(huán)保的加工方式。(4)通過激光制備的梯度潤濕表面其表面分子活性不易改變，具有良好的耐熱性和耐水性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出操作簡單，安全環(huán)保，具有較高加工速率的一種金屬基底梯度潤濕表面的激光制備方法。
[0007]所述方法便于操作實(shí)現(xiàn)，可在金屬基板中制備出接觸角發(fā)生連續(xù)變化或階梯變化的梯度潤濕表面。得到的梯度潤濕表面有良好的耐水性和耐熱性。
[0008]本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0009]一種金屬基底梯度潤濕表面的激光制備方法，包括如下步驟:
[0010](I)將金屬基板先后分別在丙酮、無水乙醇和去離子水中使用超聲波清洗儀清洗3分鐘，得到干凈的金屬基板。
[0011](2)將金屬基板置于激光加工裝置中，將激光聚焦于金屬基板表面上通過振鏡X/Y方向掃描，并結(jié)合側(cè)吹空氣，在基板中刻蝕出一系列疏密不同(間隔發(fā)生連續(xù)變化)的交錯(cuò)溝槽或平行溝槽，得到具有潤濕性能梯度的親水表面。其最低接觸角小于5°
[0012](3)將金屬基板傾斜45°并將微結(jié)構(gòu)較密一端浸泡在水槽中，液面覆蓋基板表面的1/3，并保持浸泡約72小時(shí)。通過控制表面與空氣接觸的時(shí)間獲得潤濕性能發(fā)生梯度變化的功能表面。
[0013]上述方法制備的梯度潤濕表面其接觸角變化最大范圍可為160°?5°
[0014]本發(fā)明通過使用激光刻蝕的方法能夠在銅、鋁或不銹鋼鋼等金屬基板表面上制備出接觸角變化范圍較大的梯度潤濕表面，該方法僅通過激光刻蝕的方法便能獲得表面微結(jié)構(gòu)和表面分子活性同時(shí)沿梯度方向發(fā)生變化的梯度潤濕表面，對簡化梯度潤濕表面的制備流程和增強(qiáng)梯度功能表面的性能都起到重要的作用。其制備過程無需使用其他化學(xué)試劑，簡單方便，安全環(huán)保、環(huán)境友好。
【附圖說明】
[0015]圖1是金屬基底梯度潤濕表面的激光制備方法及裝置的示意圖。
[0016]圖2是不同的梯度潤濕表面示微結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3是所制備的梯度潤濕表面接觸角分布圖。
[0018]符號說明:
[0019]1.激光器，2.振鏡系統(tǒng)，3.聚焦場鏡，4.金屬基板，5激光束
【具體實(shí)施方式】
[0020]實(shí)施例:
[0021]本發(fā)明一種金屬基底梯度潤濕表面的激光制備方法，包括以下步驟:
[0022]I)將金屬基板4先后分別在丙酮、無水乙醇和去離子水中使用超聲波清洗儀清洗3分鐘，烘干后得到干凈的金屬基板。
[0023]2)將金屬基板4置于激光加工裝置工作臺中，使用波長為266nm的紫外激光器，控制其脈寬為50nm，重復(fù)頻率為90kHz，使激光束5從激光器I中射出通過振鏡系統(tǒng)2實(shí)現(xiàn)X/Y方向的掃描，再由聚焦場鏡3聚焦在金屬基板表面，通過振鏡系統(tǒng)2使聚焦光束對金屬表面根據(jù)圖2中的圖案進(jìn)行掃描，掃描速度為1000mm/S，結(jié)合側(cè)吹空氣，在基板中刻蝕出一系列如圖2圖案所示的間隔發(fā)生梯度變化的平行槽縱橫交錯(cuò)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，得到有潤濕性能梯度的親水表面，其最低接觸角小于5°。
[0024]3)將金屬基板4傾斜45°并將微結(jié)構(gòu)較密一端浸泡在水槽中，液面覆蓋基板表面的1/3，并保持浸泡72小時(shí)，烘干后得到金屬基底的梯度潤濕表面。
[0025]在上述方法制備的梯度潤濕表面中使用擬合分析法運(yùn)用接觸角測量儀(CAS)對其中的八個(gè)區(qū)域進(jìn)行測量得到接觸角分別為156°、129°、98°、83°、73°、37°、5°其接觸角變化最大范圍可為160°?5°
[0026]特別有，步驟2)中的微結(jié)構(gòu)樣式可改為其他疏密不同的平行槽結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，也可以替換為間隔不變的平行槽跟網(wǎng)格。
[0027]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了金屬基板上梯度潤濕表面的激光制備。是一種簡單快捷，性能優(yōu)良，方便使用，綠色環(huán)保的加工方法。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種金屬基底梯度潤濕表面的激光制備方法，其特征在于步驟如下: 將金屬基板先后分別在丙酮、無水乙醇和去離子水中使用超聲波清洗儀清洗，烘干得到干凈的金屬基板；將金屬基板置于激光加工裝置中，將激光聚焦于金屬基板表面上通過振鏡實(shí)現(xiàn)X/Y方向掃描，并結(jié)合側(cè)軸吹空氣，在基板中刻蝕出一系列疏密不同(間隔發(fā)生連續(xù)變化)的交錯(cuò)溝槽或平行溝槽，得到具有潤濕性能梯度的親水表面，最低接觸角小于5° ;將金屬基板傾斜并將微結(jié)構(gòu)較密一端浸泡在水槽中，液面覆蓋基板表面約1/3，分并保持浸泡，通過控制表面不同區(qū)域與空氣接觸的時(shí)間獲得潤濕性能發(fā)生梯度變化的功能表面。
2.如權(quán)利要求1所述一種金屬基底梯度潤濕表面的激光制備方法，其特征在于:使用聚焦激光在金屬表面刻蝕加工疏密不同的縱橫交錯(cuò)溝槽以及平行溝槽改變金屬表面的粗糙度的分布和化學(xué)成分分布。
3.如權(quán)利要求1所示一種金屬基底梯度潤濕表面的激光制備方法，其特征在于:加工參數(shù)為激光波長256-1064nm，脈寬lO-lOOOnm，重復(fù)頻率30_100kHz，掃描速度15_1500mm/So
4.如權(quán)利要求3所示一種金屬基底梯度潤濕表面的激光制備方法，其特征在于:所述激光波長優(yōu)選為266nm，所述脈寬優(yōu)選為50nm，所述重復(fù)頻率優(yōu)選為90kHz，所述掃描速度優(yōu)選為1000mm/s，所述掃描次數(shù)優(yōu)選為10次。
5.如權(quán)利要求1所述一種金屬基底梯度潤濕表面的激光制備方法，其特征在于:將通過激光刻蝕后的金屬基板的一端浸泡在水中，改變其表面與空氣接觸的時(shí)間，控制表面的氧化程度。
6.如權(quán)利要求5所示一種金屬基底梯度潤濕表面的激光制備方法，其特征在于:所述金屬基板浸泡在水中的時(shí)間為48-96小時(shí)，所述浸泡時(shí)間優(yōu)選為72小時(shí)。
7.如權(quán)利要求1所述一種金屬基底梯度潤濕表面的激光制備方法，其特征在于:該金屬基板可以為黃銅、紫銅、鋁或不銹鋼。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種金屬基底梯度潤濕表面的激光制備方法，包括如下步驟：(1)清洗金屬基板，得到干凈的金屬基板。(2)通過激光刻蝕的方法在金屬基板上掃描出一系列間隔不同的縱橫交錯(cuò)式微結(jié)構(gòu)，在金屬基板上制備出超親水表面。(3)通過將超親水表面的一部分置于水中72小時(shí)便能在金屬基底中制備出梯度潤濕表面。制備出的梯度潤濕表面其接觸角能在160°～5°范圍內(nèi)呈連續(xù)梯度變化。該方法僅通過激光刻蝕的方法便能獲得表面微結(jié)構(gòu)和表面分子活性同時(shí)沿梯度方向發(fā)生變化的梯度潤濕表面，對簡化梯度潤濕表面的制備流程和增強(qiáng)梯度潤濕表面的性能都起到重要的作用。其制備過程無需使用其他化學(xué)試劑，簡單方便，安全環(huán)保。
【IPC分類】B23K26-14, B23K26-60, B23K26-362
【公開號】CN104646833
【申請?zhí)枴緾N201410857211
【發(fā)明人】謝小柱, 羅志強(qiáng), 魏昕, 胡偉
【申請人】廣東工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2014年12月25日