一種利用超快激光制備不銹鋼超疏水自清潔表面的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于金屬基材表面改性技術領域，涉及一種不銹鋼基材表面改性技術，更 具體地說，本發明涉及一種利用超快激光制備不銹鋼超疏水自清潔表面的方法。
【背景技術】
[0002] 自然界當中有很多植物花葉表面具有非常突出的自潔功能，例如玫瑰花等植物的 花瓣表面就具有非常突出的超疏水性，這些性能在材料防腐蝕、抗氧化等方面有非常廣泛 的應用前景，由此引起了金屬表面浸潤性在相關領域的應用。金屬材料的浸潤性是金屬表 面很重要的一個特征，材料的微觀結構以及組成成分共同影響著材料表面的浸潤性。超疏 水表面的實質是擁有極低的浸潤性，而要獲得低浸潤性主要取決于兩個基本因素，即固體 表面的微觀幾何結構和表面化學成分。判斷表面的疏水性或低潤濕性通常用瞬時接觸角或 滾動角作為判定準則：當水滴在固體表面上，接觸角大于90°時，稱為疏水表面；其接觸角 超過150°，滾動角小于10°時，則被稱為超疏水性表面。
[0003] 304不銹鋼材料由于其出色的防腐蝕性以及其他優異的性能，被廣泛地應用于機 械行業，醫療行業，電子電氣行業等行業。304不銹鋼超疏水表面技術在先進制造業和國防 工業當中有著非常重要的作用。用激光技術加工304不銹鋼表面，使304不銹鋼表面形成 耐摩擦防腐蝕的超疏水表面，非常具有應用前景。
[0004] 制備金屬超疏水表面的方法有很多，主要的方法是在材料表面構造一層粗糙的微 結構，然后在這層微結構上加上低表面能的物質。形成粗糙微結構的主流方法有陽極氧化 法，納秒材料涂層法，化學刻蝕法，激光刻蝕法等。陽極氧化法就是將多孔氧化鋁凝膠浸入 沸水當中，然后將升華的材料和鋁石或者硅石混合，為了有效地獲得超疏水表面，還需要用 低表面能物質對表面進行必要的修飾，加工的效率并不高。而激光加工法是在材料表面形 態高度一致的微結構，改善304不銹鋼的表面形貌實現材料表面超疏水自清潔要求。相比 化學腐蝕方法，不但加工的速度快，還不需要在材料表面加一層修飾層，大大地提高了加工 效率，而且沒有任何環境污染。申請號為201310079939. 7的專利公開了一種鋁合金仿生 超疏水表面的制備方法，首先以無水乙醇清洗鋁合金，然后在鋁合金表面進行激光加工，在 試樣表面加工出無數微尺度的彈坑狀結構，再將試樣浸入化學刻蝕溶液中，使試樣表面的 形貌特征發生改變，但該方法未完全突破傳統化學蝕刻的表面處理工藝，采用激光加工工 藝后還進一步利用了化學刻蝕，且將經過化學刻蝕后的鋁合金試樣放入含有DTS的甲苯 溶液中進行修飾，在其表面逐漸形成低表面能的薄膜，該處理工藝復雜，且使用了高毒致 癌物質甲苯，容易造成環境污染。申請號為201410657627. 4的專利公開了一種超疏水高 粘附金屬表面及其制備方法，通過高功率皮秒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，再通過低自由能物質的表面修飾，實現了超疏水高粘附金 屬表面的制備，該方法采用低表面能物質對表面進行必要的修飾，加工效率低；申請號為 200910183588. 8的專利公開了一種仿生金屬超潤濕跨尺度結構設計方法與制備方法，該方 法通過復雜的超親水理論設計，將待處理樣品置于高真空室中，分別在不同角度下進行兩 次掃描，最終獲得接近自然生物表面形貌的跨尺度微結構，但是該方法需嚴格控制各項工 藝參數，處理成本過高，完全不適合工業化大規模生產。
[0005] 綜上所述，亟待開發出一種工藝簡單，制備效率高，適用于產業化應用，不產生任 何環境污染且一次性實現金屬基材表面超疏水性而無需經過任何化學工藝處理的方法，是 目前科研工作者亟待解決的技術問題。
【發明內容】
[0006] 為了克服現有技術存在的不足，本發明的目的在于提供一種工藝簡單，制備效率 高、綠色環保的利用超快激光制備不銹鋼超疏水自清潔表面的方法。本發明的方法可在 各種尺寸和不同形狀的不銹鋼材料表面獲得長期穩定的、接觸角大于150°、滾動角小于 10°的超疏水表面，同時制得的表面還具有出色的自清潔、耐摩擦、耐腐蝕性能。
[0007] 本發明的目的是通過下述技術方案實現的：一種利用超快激光制備不銹鋼超疏水 自清潔表面的方法，所述方法包括如下步驟：
[0008] 步驟一，將待處理的不銹鋼表面進行拋光預處理，得到表面拋光后的不銹鋼樣 品；
[0009] 步驟二，將步驟一所述表面拋光后的不銹鋼樣品放在盛有去離子水的超聲波清洗 儀中清洗，清洗干凈后，將所述不銹鋼樣品表面用冷風吹干或室溫自然晾干，得到潔凈的不 銹鋼樣品；
[0010] 步驟三，利用激光加工技術，采用超快激光器調節好相關的工藝參數后對步驟二 所述得到的潔凈不銹鋼樣品表面進行激光掃描處理，在樣品表面加工出無數的微結構；
[0011] 所述激光掃描米用振鏡系統進行光束掃描，振鏡掃描的速度為0. lmm/s-30m/s，激 光的通斷及振鏡系統的掃描范圍、掃描軌跡和加工速度均由計算機程序控制和設定；
[0012] 或所述激光掃描使用運動平臺系統實現，將光束固定，樣品相對光束運動，平臺 運動的速度為0. lmm/s-3m/s，激光的通斷、平臺運動軌跡和速度均由計算機程序控制和設 定；
[0013] 步驟四，將步驟三所述得到的表面經過激光加工處理后的不銹鋼樣品放入恒溫恒 濕電熱干燥箱內烘烤，即得到所述不銹鋼超疏水自清潔表面；
[0014] 其中，步驟三所述的超快激光器波長小于lOOOnm，所述激光加工參數為：脈寬大 于30fs，單脈沖能量小于0. lmj。
[0015] 進一步地，上述技術方案中所述的不銹鋼優選為304不銹鋼。
[0016] 進一步地，上述技術方案中步驟三所述超快激光器的重復頻率為10kHz-200kHz， 所述脈寬為30fs_10ps。
[0017] 進一步優選地，所述超快激光器的脈寬為90fs_550fs。
[0018] 進一步優選地，所述超快激光器的波長為800nm，所述脈寬為90fs，所述單脈沖能 量范圍為50yJ-70yJ。
[0019] 進一步優選地，所述超快激光器的波長為800nm，所述脈寬為550fs，所述單脈沖 能量范圍為62 y J，所述超快激光的掃描速度為20mm/S-80mm/S。
[0020] 再進一步優選地，所述單脈沖能量范圍為68 y J，所述超快激光器的重復頻率為 10kHz，所述激光掃描速度為60mm/s。
[0021] 進一步地，上述技術方案中步驟一所述的拋光預處理采用功率為370W、研磨盤轉 速為450轉/分、研磨盤直徑為230mm的金相試樣預磨機，拋光預處理過程需要輔助直徑為 200mm、1000目的SiC水砂紙在所述不銹鋼表面進行拋光處理，拋光范圍是100cm 2,拋光時 間10分鐘。
[0022] 進一步地，上述技術方案中步驟二所述超聲清洗儀的超聲頻率為40kHz，所述去離 子水電阻率為18. 25兆歐，所述去離子水應將不銹鋼樣品表面淹沒，在室溫下連續清洗30 分鐘。
[0023] 進一步地，上述技術方案步驟四中所述電熱干燥箱內的壓力為普通大氣壓，濕度 為40% -60% RH，溫度為100°C _250°C，所述樣品烘烤的時間為2-8小時，所述電熱干燥箱 內的溫度誤差為±1°C。
[0024] 更進一步優選地，所述恒溫恒濕電熱干燥箱內的濕度為45% RH，溫度為100°C，烘 烤的時間為8小時。
[0025] 本發明還提供了由上述方法制備得到的不銹鋼超疏水自清潔表面，所述表面納米 級的顆粒狀、片狀或凸起狀結構。
[0026] 與現有技術相比，本發明方法具有以下優點：
[0027](1)利用本發明方法制備得到的不銹鋼表面最大接觸角可達166. 1°，最小滾動 角為0.5°，因此具有非常好的超疏水性能。
[0028] (2)本發明的制備方法工藝簡單，操作方便，效率高，能耗少，成本低，完全克服了 傳統使用化學試劑刻蝕不銹鋼表面或者在激光加工完成后仍需再采用低表面能物質進一 步修飾表面的缺陷，綠色環保，不采用任何化學試劑涂層，且本發明方法的工藝參數容易控 制，易于實現工業應用。
[0029] (3)采用本發明方法制備得到的超疏水不銹鋼金屬表面性能穩定，具備優異的自 清潔功能，大大增加了不銹鋼的使用范圍。
【附圖