一種鈦合金表面超疏水微納結構的制備方法
【專利摘要】本發明提供了一種鈦合金表面超疏水微納結構的制備方法。該制備方法包括：對鈦合金樣品分別用丙酮和無水酒精進行超聲波清洗，得到表面干凈的鈦合金樣品；對表面干凈的鈦合金樣品的表面進行飛秒激光光刻加工，一步得到具有超疏水微納結構表面的鈦合金樣品；其中，飛秒激光光束固定并垂直于被處理材料表面，飛秒激光光束的單個脈沖能量為100μJ-800μJ，脈沖寬度為100fs-500fs，中心波長為500nm-1000nm，重復頻率為500Hz-2kHz，飛秒激光光束的刻蝕光斑的大小為0.5μm-300μm；鈦合金樣品的表面相對于飛秒激光光束的刻蝕光斑沿x、y、z三維方向移動，x、y方向的移動定位精度為50nm-100nm，z方向上的移動定位精度為5nm-10nm。
【專利說明】一種鈦合金表面超疏水微納結構的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種鈦合金表面超疏水微納結構的制備方法，屬于材料表面處理【技術領域】。
【背景技術】
[0002]近年來，材料表面的潤濕性越來越引起研宄人員的關注，它在科學研宄及工農業生產上有著非常廣泛的作用。而潤濕性的直接衡量標準是測量一種液體通常是水在固體表面的靜態接觸角。通常，當靜態接觸角小于90°，則認為該表面為親水性表面；當靜態接觸角大于90°，則認為該表面為疏水性表面。而表面疏水性也體現出材料表面與水互相排斥的物理性質。當靜態接觸角大于150°時，即為超疏水表面。超疏水表面由于具有防雪、防污染、脫附、減阻、防氧化和抗腐蝕等功能，具有廣泛的應用前景。例如將超疏水表面應用到高壓電輸送設備設施上去，能夠預防和解決凍雨災害造成的斷電及其它危險事故；將超疏水表面應用于海洋石油平臺設備設施上去，能夠解決一些金屬設備設施的防潮防腐問題；將超疏水表面應用于天線和雷達能夠防冰除雪；還可以將超疏水表面用于船舶表面來抗生物吸附以及用于建筑物表面來實現自清潔和防腐蝕等功能等。
[0003]由于鈦合金具有優異的綜合性能，比強度和比斷裂韌性高，抗疲勞強度和抗裂紋擴展能力好，低溫韌性良好，抗蝕性能優異。可以應用到特殊的環境及領域，因此構建超疏水鈦合金金屬材料表面已成為研宄界的一大熱點。
[0004]現有的超疏水表面的制備方法很多，目前普遍采用化學氣相沉積、相分離、模板法、電化學、光刻蝕等方法在金屬表面來構筑微納結構，并在表面修飾低表面能物質，實現超疏水性。如采用化學氣相沉積法在金屬基體上制備具有低表面能的氟化類薄膜，但這種方法制備的超疏水表面往往穩定性差，壽命短、與金屬基體的結合力底，很容易遭到破壞，且制備過程周期長、工藝較復雜、費用高。電化學法以銅、鋁等導電金屬材料為基材，浸泡在相應的反應氣體或者液體溶劑中，然后通以一定的電流，通過電化學腐蝕來實現材料表面的粗糙化結構，但這種制備方法耗時長、難以獲得均勻的疏水性表面。而針對連續激光和脈沖寬度介于納秒到微秒之間的傳統激光加工而言，由于熱效應、熔化、毛刺、裂紋和加工區域組織結構的改變等機械缺陷的存在而使該類激光的應用受到了嚴重的限制。例如專利CN10320447A公開了一種鋁合金仿生超疏水表面的制備方法，采用了激光加工結合化學刻蝕的方法制備具有超疏水性的鋁合金表面；例如專利CN102336393A公開了一種飛秒激光在有機玻璃表面制備疏水性微結構的方法，采用了飛秒激光在有機玻璃上制備出了疏水性結構，但還未達到超疏水的性能。
[0005]綜上所述，上述的超疏水表面的制備方法有的工序繁雜、有的需要真空系統，加工范圍小，效率低，而且對工作環境要求非常苛刻；采用刻蝕技術，雖然可以實現三維形貌的微結構加工，但在加工區域容易產生內應力等缺陷，從而影響產品的功能特性；如沉積技術雖然可以實現較快速的制備，但可控性極差，而且生成的結構性能不穩定；如傳統的光刻技術是通過紫外光加掩膜的技術進行表面微加工，該技術成熟度高，但設備昂貴、工序多。如采用化學氣相沉積法制備的具有低表面能的氟化類薄膜往往穩定性差，壽命短、與金屬基體的結合力底，很容易遭到破壞，且制備過程周期長、工藝較復雜、費用高。如電化學法以銅、鋁等導電金屬材料為基材，浸泡在相應的反應氣體或者液體溶劑中，然后通以一定的電流，通過電化學腐蝕來實現材料表面的粗糙化結構，但改種方法耗時長難以獲得均勻的疏水性表面。而針對連續激光和脈沖寬度介于納秒到微秒之間的傳統激光加工而言，由于熱效應、熔化、毛刺、裂紋和加工區域組織結構的改變等機械缺陷的存在而使該類激光的應用受到了嚴重的限制。
【發明內容】
[0006]鑒于上述現有技術存在的缺陷，本發明的目的是提出一種鈦合金表面超疏水微納結構的制備方法，能夠使用鈦合金作為材料，能夠在其表面加工不同類型的超疏水納微結構，且不需要多次造型，結構可靠，工序簡單。
[0007]本發明的目的通過以下技術方案得以實現:
[0008]一種鈦合金表面超疏水微納結構的制備方法，其包括如下步驟:
[0009]對鈦合金樣品表面分別用丙酮和無水酒精進行超聲波清洗，得到干凈的鈦合金樣品表面；
[0010]對干凈的鈦合金樣品表面進行飛秒激光光刻加工，一步得到鈦合金表面超疏水微納結構；
[0011]其中，飛秒激光光束固定并垂直于被處理材料表面，飛秒激光光束的單個脈沖能量為100yJ-800 yJ，脈沖寬度為100fs-500fs，中心波長為500nm-1000nm，重復頻率為500Hz-2kHz，飛秒激光光束的刻蝕光斑的大小為0.5 μπι-300 ym ;鈦合金樣品的表面相對于飛秒激光光束的刻蝕光斑沿X、1、z三維方向移動，X、y方向的移動定位精度為50nm-100nm, z方向上的移動定位精度為5nm_10nm。
[0012]上述的鈦合金表面超疏水微納結構的制備方法中，優選的，該方法還包括對得到的鈦合金表面超疏水微納結構依次用去離子水、丙酮、無水乙醇、去離子水進行表面清洗并用冷風吹干、干燥的步驟。
[0013]上述的鈦合金表面超疏水微納結構的制備方法中，調整激光加工參數，包括調整鈦合金樣品的表面相對于飛秒激光光束的刻蝕光斑沿X、1、Z三維方向移動的方式及參數，可以在鈦合金表面加工出具有不同形狀的微納結構。
[0014]本發明還提供一種平行光柵型鈦合金表面超疏水微納結構，其是通過上述的鈦合金表面超疏水微納結構的制備方法制備得到的，其中，鈦合金樣品的表面相對于飛秒激光光束的刻蝕光斑沿X方向單步步進I μπι-500 μ--，再沿y方向勻速移動，移動速度控制為使激光刻蝕深度I ym-500 ym ;或者，鈦合金樣品的表面相對于飛秒激光光束的刻蝕光斑沿I方向單步步進I μπι-500 μ--，再沿χ方向勾速移動，移動速度控制為使激光刻蝕深度I μ m-500 μ m。
[0015]本發明還提供一種井型鈦合金表面超疏水微納結構，其是通過上述的鈦合金表面超疏水微納結構的制備方法制備得到的，其中，鈦合金樣品的表面先是相對于飛秒激光光束的刻蝕光斑沿X或y方向中的一個方向單步步進I μ m-500 μ m，再沿對應的y或χ方向勻速移動，移動速度控制為使激光刻蝕深度I μπι-500 μm ;然后相對于飛秒激光光束的刻蝕光斑沿X或y方向中的另一個方向單步步進I μπι-500 μm，再沿對應的y或χ方向勻速移動，移動速度控制為使激光刻蝕深度I μ m-500 μ mo
[0016]本發明還提供一種圓形盲孔型鈦合金表面超疏水微納結構，其是通過上述的鈦合金表面超疏水微納結構的制備方法制備得到的，其中，鈦合金樣品的表面相對于飛秒激光光束的刻蝕光斑沿X或y方向連續步進5 μ m-300 μ m，再(也可以是同時)沿對應的y或χ方向連續步進5 μ m-300 μ m，步進速度控制為使激光刻蝕深度5 μ m-300 μ m。
[0017]上述的單步步進是指移動上述特定距離的一步，然后在垂直方向上移動進行飛秒激光刻蝕，刻蝕完成后，再繼續移動一步，再進行垂直方向上的刻蝕。連續步進是指以特定的距離連續的進行單步的步進。上述的鈦合金樣品的表面相對于飛秒激光光束的刻蝕光斑沿z方向移動可以控制飛秒激光光束的刻蝕光斑的大小。上述的步進距離即激光刻蝕的溝壑之間的距離。
[0018]本發明的飛秒激光產生裝置可以是本領域的常規裝置。優選的，本發明可以使用如下裝置:該裝置包括用于飛秒激光單元、光束控制單元、運動平臺單元和自動化控制單元(工業控制計算機)；
[0019]飛秒激光單元包括飛秒激光器(美國光譜物理公司的MAITI自鎖模鈦寶石激光器)和再生放大器(美國光譜物理公司的Spitfire再生放大器)，飛秒激光器設置在再生放大器的后方；本實施例中，飛秒激光器和再生放大器進行工業整合形成為一個單元部件；
[0020]光束控制單元包括二分之一波片、偏振分光鏡、快門、反射鏡和非球透鏡；二分之一波片設置在飛秒激光單元的再生放大器的前方，偏振分光鏡設置在二分之一波片的前方，快門設置在偏振分光鏡的前方，反射鏡設置在快門的前方，非球透鏡設置在反射鏡的下方，快門與工業控制計算機相連接；
[0021]運動平臺單元為三維伺服精密移動平臺(PI，German)，設置在非球透鏡的下方，運動平臺單元與工業控制計算機相電連接。
[0022]被處理材料設置在運動平臺單元上、非球透鏡的下方。
[0023]實時監測單元包括發光二極管、物鏡和(XD，所述發光二極管用于發光，所述物鏡設置在所述CCD的前方；
[0024]實時監測單監測飛秒激光對被處理材料表面的損傷情況，工業控制計算機以此為依據通過調整快門累調整激光光速的能量、脈沖寬度、被處理材料在運動平臺單元帶動下沿X、y、z三維方向移動的速度。
[0025]本發明的突出效果為:
[0026]由于鈦合金具有優異的綜合性能，比強度和比斷裂韌性高，疲勞強度和抗裂紋擴展能力好，低溫韌性良好，抗蝕性能優異，因此，本發明使用鈦合金作為刻蝕表面材料，采用飛秒激光加工技術，操作簡單、高效、成本低廉，通過設計不同的工藝參數即可實現鈦合金材料表面不同的微納結構，大幅改善鈦合金表面疏水性能，實現超疏水，能夠應用到特殊的環境及領域，具有廣闊的應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1是實施例1經拋光處理過的鈦合金表面刻蝕加工后得到的鈦合金超疏水微納結構圖；
[0028]圖2是實施例1未經拋光處理過的鈦合金表面刻蝕加工后得到的鈦合金超疏水微納結構的掃描電鏡圖；
[0029]圖3是實施例2的井型鈦合金表面超疏水微納結構的掃描電鏡圖；
[0030]圖4是實施例2的井型鈦合金表面超疏水微納結構表面的靜態接觸角側視圖；
[0031]圖5是實施例3的圓形盲孔型超疏水微納結構的掃描電鏡圖。
【具體實施方式】
[0032]為了對本發明的技術特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，現對本發明的技術方案進行以下詳細說明，但不能理解為對本發明的可實施范圍的限定。下述實施例中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業途徑獲得。
[0033]實施例1
[0034]本實施例提供一種鈦合金表面超疏水微納結構的制備方法，能夠制備得到平行光柵型鈦合金表面超疏水微納結構，包括如下步驟:
[0035]對鈦合金樣品表面分別用丙酮和無水酒精進行超聲波清洗，得到干凈的鈦合金樣品表面；
[0036]對干凈的鈦合金樣品表面進行飛秒激光光刻加工，一步得到平行光柵型鈦合金表面超疏水微納結構；
[0037]其中，飛秒激光光束固定并垂直于被處理材料表面，飛秒激光光束的單個脈沖能量為120 μ J，脈沖寬度為300fs，中心波長為800nm，重復頻率為1kHz，飛秒激光光束的刻蝕光斑的大小為2.5 ym ;鈦合金樣品的表面相對于飛秒激光光束的刻蝕光斑沿x、y、z三維方向移動，沿χ方向單步步進80 μ m，再沿y方向勻速移動，移動速度控制為使激光刻蝕深度20 μ m，然后重復上述移動方式直至完成整個表面的刻蝕，X、y方向的移動定位精度為50nm-100nm, z方向上的移動定位精度為5nm_10nm。
[0038]對得到的平行光柵型鈦合金表面超疏水微納結構依次用去離子水、丙酮、無水乙醇、去離子水進行表面清洗并用冷風吹干、干燥。
[0039]本實施例對進行處理和未進行處理的兩種鈦合金表面分別進行激光刻蝕，對得到的超疏水微納結構表面進行比較，所述的處理是指用SiC砂紙在鈦合金表面進行大約10分鐘的拋光處理，比較結果顯示，處理過的和未處理過的鈦合金表面經過刻蝕加工后的表面形貌存在一定的差別，兩者的疏水性能也有不同，處理過的鈦合金表面微納結構的顯微放大圖如圖1所示，采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察激光刻蝕后的未處理過的鈦合金表面微納結構如圖2所示。
[0040]利用微量進樣器吸取2 μ L的去離子水，接觸或滴落到未處理過的鈦合金表面超疏水微納結構表面，使其接觸，然后用角測試儀進行靜態接觸角(CA)的測試，測試的水接觸角為156° ;而經過拋光處理的鈦合金表面，采用相同的設計參數，制備出的鈦合金表面超疏水微納結構表面的水接觸角為151°。可見鈦合金表面在刻蝕前可以不用經過拋光處理。
[0041]實施例2
[0042]本實施例提供一種鈦合金表面超疏水微納結構的制備方法，能夠制備得到井型鈦合金表面超疏水微納結構，包括如下步驟:
[0043]對鈦合金樣品表面分別用丙酮和無水酒精進行超聲波清洗，得到干凈的鈦合金樣品表面；
[0044]對干凈的鈦合金樣品表面進行飛秒激光光刻加工，得到井型鈦合金表面超疏水微納結構；
[0045]其中，飛秒激光光束固定并垂直于被處理材料表面，飛秒激光光束的單個脈沖能量為120 μ J，脈沖寬度為300fs，中心波長為800nm，重復頻率為1kHz，飛秒激光光束的刻蝕光斑的大小為2.5 ym ;鈦合金樣品的表面相對于飛秒激光光束的刻蝕光斑沿x、y、z三維方向移動，第一次，沿χ方向單步步進150 μ m，再沿y方向勻速移動，移動速度控制為使激光刻蝕深度60 μ m，然后重復上述移動方式直至完成整個表面刻蝕；第二次，沿y方向單步步進150 μ m，再沿χ方向勻速移動，移動速度控制為使激光刻蝕深度60 μ m，然后重復上述移動方式直至完成整個表面刻蝕；x、y方向的移動定位精度為50nm-100nm，z方向上的移動定位精度為5nm-10nmo
[0046]對得到的井型鈦合金表面超疏水微納結構依次用去離子水、丙酮、無水乙醇、去離子水進行表面清洗并用冷風吹干、干燥。
[0047]米用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察激光加工后的表面微納結構形貌，如圖3所不。利用微量進樣器吸取2 μ L的去離子水，接觸或滴落到井型鈦合金表面超疏水微納結構表面，使其接觸，然后用角測試儀進行靜態接觸角(CA)的測試，測試的水接觸角為171°，如圖4所示。
[0048]實施例3
[0049]本實施例提供一種鈦合金表面超疏水微納結構的制備方法，能夠制備得到圓形盲孔型鈦合金表面超疏水微納結構，包括如下步驟:
[0050]對鈦合金樣品表面分別用丙酮和無水酒精進行超聲波清洗，得到干凈的鈦合金樣品表面；
[0051]對干凈的鈦合金樣品表面進行飛秒激光光刻加工，一步得到圓形盲孔型鈦合金表面超疏水微納結構；
[0052]其中，飛秒激光光束固定并垂直于被處理材料表面，飛秒激光光束的單個脈沖能量為1201^，脈沖寬度為300&，中心波長為800nm，重復頻率為1kHz，飛秒激光光束的刻蝕光斑的大小為30 μπι;鈦合金樣品的表面相對于飛秒激光光束的刻蝕光斑沿χ、γ、ζ三維方向移動，沿χ或y方向連續步進5 μ m-300 μ m，再沿對應的y或χ方向連續步進5 μ m-300 μ m，步進速度控制為使激光刻蝕深度50 μ m，然后重復上述移動方式直至完成整個表面的刻蝕，X、y方向的移動定位精度為50nm-100nm，ζ方向上的移動定位精度為5nm_10nmo
[0053]對得到的圓形盲孔型鈦合金表面超疏水微納結構依次用去離子水、丙酮、無水乙醇、去離子水進行表面清洗并用冷風吹干、干燥。
[0054]米用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察激光加工后的表面微納結構形貌，如圖5所不。利用微量進樣器吸取2 μ L的去離子水，接觸或滴落到圓形盲孔型鈦合金表面超疏水微納結構表面，使其接觸，然后用角測試儀進行靜態接觸角(CA)的測試，測試的水接觸角為 146。。
[0055]由上可見，本發明使用鈦合金作為刻蝕表面材料，采用飛秒激光加工技術，操作簡單、高效、成本低廉，通過設計不同的工藝參數即可實現鈦合金材料表面不同的微納結構，大幅改善鈦合金表面疏水性能，實現超疏水，能夠應用到特殊的環境及領域，具有廣闊的應用前景。
【權利要求】
1.一種鈦合金表面超疏水微納結構的制備方法，其包括如下步驟: 對鈦合金樣品的表面分別用丙酮和無水酒精進行超聲波清洗，得到干凈的鈦合金樣品表面； 對干凈的鈦合金樣品表面進行飛秒激光光刻加工，一步得到鈦合金表面超疏水微納結構； 其中，飛秒激光光束固定并垂直于被處理材料表面，飛秒激光光束的單個脈沖能量為100 μ J-800 μ J,脈沖寬度為100fs-500fs，中心波長為500nm_1000nm，重復頻率為500Hz-2kHz，飛秒激光光束的刻蝕光斑的大小為0.5 μ m-300 μ m ;鈦合金樣品的表面相對于飛秒激光光束的刻蝕光斑沿X、1、z三維方向移動，X、y方向的移動定位精度為50nm-100nm, z方向上的移動定位精度為5nm_10nm。
2.根據權利要求1所述的鈦合金表面超疏水微納結構的制備方法，其特征在于:該方法還包括對得到的鈦合金表面超疏水微納結構依次用去離子水、丙酮、無水乙醇、去離子水進行表面清洗并用冷風吹干、干燥的步驟。
3.一種平行光柵型鈦合金表面超疏水微納結構，其是通過權利要求1或2所述的鈦合金表面超疏水微納結構的制備方法制備得到的，其中，鈦合金樣品的表面相對于飛秒激光光束的刻蝕光斑沿X方向單步步進I μπι-500 μ--，再沿y方向勻速移動，移動速度控制為使激光刻蝕深度I ym-500 ym ;或者，鈦合金樣品的表面相對于飛秒激光光束的刻蝕光斑沿I方向單步步進I μπι-500 μ--，再沿χ方向勾速移動，移動速度控制為使激光刻蝕深度I μ m-500 μ m。
4.一種井型鈦合金表面超疏水微納結構，其是通過權利要求1或2所述的鈦合金表面超疏水微納結構的制備方法制備得到的，其中，鈦合金樣品的表面先是相對于飛秒激光光束的刻蝕光斑沿χ或y方向中的一個方向單步步進I μ m-500 μ m，再沿對應的y或χ方向勻速移動，移動速度控制為使激光刻蝕深度I μπι-500 μm ;然后相對于飛秒激光光束的刻蝕光斑沿χ或y方向中的另一個方向單步步進I μπι-500 μm，再沿對應的y或χ方向勻速移動，移動速度控制為使激光刻蝕深度I μ m-500 μ mo
5.一種圓形盲孔型鈦合金表面超疏水微納結構，其是通過權利要求1或2所述的鈦合金表面超疏水微納結構的制備方法制備得到的，其中，鈦合金樣品的表面相對于飛秒激光光束的刻蝕光斑沿X或y方向連續步進5 μπι-300 μπι，再沿對應的y或χ方向連續步進5 μ m-300 μ m，步進速度控制為使激光刻蝕深度5 μ m-300 μ m。
【文檔編號】C23F4/00GK104498957SQ201410788477
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月17日 優先權日:2014年12月17日
【發明者】王達望, 李淑青, 馬國佳, 孫剛 申請人:中國航空工業集團公司北京航空制造工程研究所