一种超疏水高粘附金属表面及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种超疏水高粘附金属表面及其制备方法。该方法包括如下步骤：1)用超短脉冲激光烧蚀金属基材，经过激光烧蚀去除，在金属基材的表面得到类玫瑰花表面微观结构；类玫瑰花表面微观结构为周期性微纳米结构，具体为微米级突出和微米级突出表面的纳米级亚结构；2)在经步骤1)处理后的具有类玫瑰花表面微观结构的所述金属基材的表面上修饰低表面能物质，至此，即得到超疏水高粘附金属表面。本发明专利技术通过高功率皮秒或飞秒激光在金属表面制备类玫瑰花表面微观结构的周期性微纳米结构，再通过低自由能物质的表面修饰，实现了超疏水高粘附金属表面的制备；同时，通过调节激光加工参数，改变表面周期性微纳米结构的尺寸，调节金属表面粘附性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种超疏水高粘附金属表面及其制备方法，属于金属基材表面处理领域。
技术介绍
受到大自然中各种生物的启发，超疏水现象受到了越来越多的关注。超疏水是指表面上水的表观接触角大于150°的一种表面现象。在自然界中，许多动植物的表面都具有超疏水的特性，其中，荷叶和玫瑰花的表面是两种典型的超疏水表面。荷叶具有“出污泥而不染”的自清洁功能，水滴能够很轻易的在荷叶表面滚动，带走表面的灰尘。而玫瑰花的表面则具有高粘附性，水滴几乎不能在它的表面移动。荷叶和玫瑰花表面对水的不同粘附性是由于它们不同的表面微观结构导致的。荷叶表面是由直径约为5～9μm的微米级乳突和直径约为100～200nm的纳米级蜡丝构成的，这种微纳复合结构配合表面低自由能的蜡质，使得水不能进入微米凸起之间的凹陷，在这些凹陷处会形成纳米级的空气层，使得荷叶表面具有超疏水自清洁的特性。而玫瑰花的表面是由大量微米突出构成的，这些微米突出的直径约为16μm，高度约为7μm，在这些微米突出上同时覆盖有宽度约为700nm的纳米褶皱，这种结构使得水能够部分进入微米柱之间的凹陷，形成具有高粘附性的超疏水表面。这种高粘附性的超疏水表面有利于在微区中对水滴进行操作，在微量液体的无损转移，微流体控制和生物传感等方面都表现出了良好的应用前景。相对于自清洁的超疏水表面而言，高粘附的超疏水表面的研究较少。目前的研究主要集中于下述两个方面：1)、利用化学手段复制玫瑰花、花生叶等高粘附超疏水表面的微观结构来获得高粘附的超疏水表面；2)、通过控制表面化学成分来调控表面粘附力大小，获得超疏水高粘附表面。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种超疏水高粘附金属表面及其制备方法，本专利技术利用高功率皮秒激光或飞秒激光在金属表面制备类玫瑰花表面微观结构的周期性微纳米结构，配合表面低自由能物质的修饰，实现超疏水高粘附金属表面的制备；并且本专利技术还可实现金属表面粘附性的调控，通过调整激光参数，改变周期性微纳米结构的尺寸，从而调节最终金属表面对水的粘附性。本专利技术所提供的超疏水高粘附金属表面的制备方法，包括如下步骤：1)用超短脉冲激光烧蚀金属基材，经过激光烧蚀去除，在所述金属基材的表面得到类玫瑰花表面微观结构；所述类玫瑰花表面微观结构为周期性微纳米结构，具体为微米级突出和所述微米级突出表面的纳米级亚结构；2)在经步骤1)处理后的具有所述类玫瑰花表面微观结构的所述金属基材的表面上修饰低表面能物质，至此，即得到所述超疏水高粘附金属表面。上述的方法中，所述金属基材的材质可为铜、铜合金、铝合金、镁合金、钢或钛合金。上述的方法中，所述超短脉冲激光可为皮秒激光和/或飞秒激光；上述的方法中，所述超短脉冲激光可为红外光、可见光或紫外光。上述的方法中，所述皮秒激光的脉冲宽度可为0.9～20皮秒，重复频率可为1K～4MHz，平均功率可为1W～400W，能流密度可为0.5J/cm2～5J/cm2；所述飞秒激光的脉冲宽度可为300～900飞秒，如800飞秒，重复频率可为1K～1MHz，如400KHz，平均功率可为1W～100W，如40W，能流密度可为0.5J/cm2～5J/cm2，如1.42J/cm2。上述的方法中，所述类玫瑰花表面微观结构可通过下述1)或2)的方法制备：1)、固定所述金属基材，所述超短脉冲激光经扫描振镜扫描烧蚀所述金属基材形成所需面积的所述类玫瑰花表面微观结构；2)、固定所述超短脉冲激光，所述超短脉冲激光烧蚀所述金属基材，所述金属基材经数控X-Y平台移动形成所需面积的所述类玫瑰花表面微观结构。上述的方法中，所述低表面能物质可为1H,1H,2H,2H-全氟癸基三甲氧基硅烷。上述的方法中，可采用如下方法实现所述低表面能物质的修饰：将经步骤1)处理后的具有所述类玫瑰花表面微观结构的所述金属基材浸泡(至少5小时以上)于所述低表面能物质的甲醇溶液中；然后经干燥即得。上述的方法中，所述低表面能物质的甲醇溶液的质量百分含量可为0.5％～5％，如1％；所述干燥的温度可为80℃～120℃，时间可为1～2小时，如在90℃下干燥1小时，且在烘箱中进行。本专利技术提供的制备方法中的“激光烧蚀去除”是指当脉冲激光能量密度超过某种材料的烧蚀阈值时，激光作用区内材料表面出现蒸发现象，形成材料的去除，去除量取决于激光参数；材料的烧蚀阈值与材料特性和脉冲激光参数如脉冲宽度等有关，如在70飞秒激光作用下，Cu、Al、Fe、Ni和Mo等金属的烧蚀阈值分别为0.25、0.25、0.28、0.20和0.40J/cm2；在10皮秒激光作用下，H13热作模具钢的烧蚀阈值为0.9J/cm2，而高速钢的烧蚀阈值为1.02J/cm2。本专利技术制备方法通过调整激光加工参数，改变周期性微纳米结构的尺寸，从而实现对金属表面对水的粘附性的调节；所述的“激光加工参数”包括激光的能流密度、激光的重复频率、激光的扫描速度或样品平台的移动速度、激光的扫描方式或样品平台的移动方式。所述的“周期性微纳米结构的尺寸”包括微米级突出的周期、微米级突出的深度、纳米级亚结构的周期或大小。本专利技术还进一步提供了由上述方法制备得到的金属表面；所述金属表面具有类玫瑰花表面微观结构；所述类玫瑰花表面微观结构为周期性微纳米结构，具体为微米级突出和所述微米级突出表面的纳米级亚结构。本专利技术提供的金属表面中，所述微米级突出的周期可为10～50μm，如30μm，深度可为5～20μm，如6.4～9.8μm、6.4μm、7.5μm或9.8μm；本专利技术提供的金属表面中，所述纳米波纹的周期可为200～900nm，如700nm，所述纳米颗粒的大小可为50～900nm，如200～800nm。本专利技术由于采取以上技术方案，具有如下优点：(1)本专利技术利用高功率皮秒或飞秒激光烧蚀金属材料表面形成类玫瑰花微观结构的周期性微纳米结构，其制备的结构稳定，微纳米结构参数如微米级突出的形式、周期、深度均可调节，从而实现对最终粘附性的调节，具有极大的灵活性和可设计性；(2)本专利技术利用高功率皮秒或飞秒激光烧蚀金属材料表面形成周期性微纳米结构配合低自由能物质的表面修饰而制备出超疏水高粘附金属表面，适用于各类金属材料，有广泛的实用性；综上所述，本专利技术提供了一种超疏水高粘附金属表面及其制备方法，且可实现对其粘附性的调节。由于金属具有良好的导电、导热性以及较好的机械性能，是最重要的结构材料，本专利技术通过高功率皮秒或飞秒激光在金属表面制备类玫瑰花表面微观本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超疏水高粘附金属表面的制备方法，包括如下步骤：1)用超短脉冲激光烧蚀金属基材，经过激光烧蚀去除，在所述金属基材的表面得到类玫瑰花表面微观结构；所述类玫瑰花表面微观结构为周期性微纳米结构，具体为微米级突出和所述微米级突出表面的纳米级亚结构；2)在经步骤1)处理后的具有所述类玫瑰花表面微观结构的所述金属基材的表面上修饰低表面能物质，至此，即得到所述超疏水高粘附金属表面。

【技术特征摘要】
1.一种超疏水高粘附金属表面的制备方法，包括如下步骤：
1)用超短脉冲激光烧蚀金属基材，经过激光烧蚀去除，在所述金属基材的表面
得到类玫瑰花表面微观结构；
所述类玫瑰花表面微观结构为周期性微纳米结构，具体为微米级突出和所述微米
级突出表面的纳米级亚结构；
2)在经步骤1)处理后的具有所述类玫瑰花表面微观结构的所述金属基材的表面
上修饰低表面能物质，至此，即得到所述超疏水高粘附金属表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述金属基材的材质为铜、铜合
金、铝合金、镁合金、钢或钛合金。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述超短脉冲激光为皮秒激光和/
或飞秒激光；
所述超短脉冲激光为红外光、可见光或紫外光。
4.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述皮秒激光的脉冲宽度为0.9～
20皮秒，重复频率为1K～4MHz，平均功率为1W～400W，能流密度为0.5J/cm2～5J/cm2；
所述飞秒激光的脉冲宽度为300～900飞秒，重复频率为1K～1MHz，平均功率
为1W～100W，能流密度为0.5J/cm2～5J/cm2。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于：所述类玫瑰花表面微观
结构是通过下述1)或2)的方法制备：
1)、固定所述金属基材，所述超短脉冲激光经扫描振镜扫描烧蚀所述金...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟敏霖，龙江游，张红军，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11