飞秒激光制备PMMA表面微结构的作用机理和润湿性研究

采用飞秒激光微加工技术对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)表面进行微加工,研究PMMA表面不同微结构的润湿性。首先对飞秒激光去除透明聚合物材料的机理进行研究并建立了材料去除模型,制备出PMMA表面光栅结构和方柱结构;采用超景深三维显微镜和接触角测量仪对微结构表面形貌和润湿性进行测量分析。结果表明:飞秒激光加工PMMA表面微结构可以将PMMA润湿性从亲水向疏水状态转变,微结构间距过小会导致激光加工时飞溅的熔融物堆积在结构通道。     

镀铬活塞环表面椭圆微坑织构激光制备工艺研究

为优化激光制备表面微坑织构工艺参数,提高缸套-活塞环摩擦副的摩擦学性能,使用纳秒脉冲激光器在镀铬活塞环表面制备椭圆形微坑织构,探究激光功率、加工次数、扫描速度与填充线间距对微坑形貌及尺寸的影响.结果 表明:增大激光功率与重复加工次数、降低扫描速度与填充线间距可有效提高微坑深度;微坑长径长度随激光功率增大而减小,随加工次...     

激光微加工对Ti6Al4V表面形貌及润湿性影响的研究

为了在Ti6Al4V表面加工不同的微结构,改变其润湿性,使其表面具有超疏水性,采用纳秒光纤脉冲激光对Ti6Al4V表面进行了微加工,研究了脉冲能量密度和扫描间距对点阵、线阵及网格3种微结构的表面形貌及润湿性的影响,建立了接触角与表面特征参量S_a, S_d的关系。结果表明, 脉冲能量和扫描间距对点阵、线阵及网格结构的表面形貌参量S_a, S_d均有所影响,且对网格结构的S_a和S_d的影响程度最大,线阵结构次之,点阵结构最小;激光加工Ti6Al4V后,其表面皆会发生从超亲水到疏水甚至超疏水的自发转变,不同的脉冲能量、扫描间距加工的微结构均对表面润湿性有不同程度的改善,其中网格结构对表面湿润性的改善最好,线阵次之,点阵最差;网格、线阵、点阵结构的最大及最小接触角分别为165°, 160.5°, 142.4°;132.9°, 97°, 94.6°,具有最大接触角的表面参量S_a, S_d分别为0.97μm, 1.38;1.62μm, 1.04;4.14μm, 2.39。该研究对改善Ti6Al4V表面润湿性具有一定参考意义。     

飞秒激光织构钛合金表面形貌及润湿性研究

通过改变飞秒激光的能量密度和扫描次数，分别采用90°和60°两种激光交叉线扫描方式，在钛合金表面制备了一系列方形和菱形微结构，系统地研究了飞秒激光参数对表面形貌和润湿性的影响。利用X射线光电子能谱测量分析了激光织构前后的表面化学成分变化。结果表明：表面结构的轮廓形貌更加依赖于激光的能量密度，而扫描次数主要影响结构的特征尺寸。不同的飞秒激光参数下获得的织构钛合金表面表现出不同程度的亲水性提升。较高的激光能量密度和扫描次数有利于增大钛合金表面的粗糙度，同时导致大量的金属氧化物富集，从而促进了液滴的浸润。     

基于激光加工的自组装基底润湿性调控研究

表面张力自组装技术的一个重要前提就是利用润湿性分区结构将液滴限制在目标区域。提出一种采用微秒脉冲激光在复合基底表面上制造润湿性分区结构的方法。该方法可通过改变激光加工参数控制复合基底表面超疏水涂层的去除面积占比，进而调控加工区域的润湿性。建立去除面积占比的数学模型和仿真模型，研究加工参数对去除面积占比以及润湿性的影响。结果表明，加工区域的去除面积占比与加工速度和扫描线间距成反比。采用不同的加工参数制备了不同的润湿性分区结构并测量了其接触角。试验结果表明，随着加工速度从100 mm/s提高到9 000 mm/s,扫描线间距从20μm增加到150μm,加工区域的去除面积占比减小，接触角从5°以下逐步增大到127°;随着基底表面与激光焦平面之间距离的绝对值从0增加至3 mm,加工区域的接触角从5°以下增大到170°以上。进行了微芯片自组装试验，结果表明，利用该方法制备的润湿性分区结构可实现液滴限制和微芯片自组装。研究结果为制造润湿性可控的自组装基底提供了新思路。     

用于微流控芯片系统的超疏水表面的制备

为了分析超疏水表面的物理特性及应用前景,介绍了粗糙超疏水表面的两种理论模型,提出了一种基于MEMS加工技术的超疏水表面制备工艺,即利用ICP刻蚀工艺制备规则的硅方柱,并用旋转涂覆TeflonAF1600作为疏水薄膜,制备了疏水特性可控的硅表面。对接触角进行了测量,结果表明,在平整Teflon薄膜表面上,去离子水液滴的本征接触角约为117°,在边长间距比为10μm/35μm的方柱表面上的去离子水液滴显现接触角可达170°。另处,还给出了为避免Wenzel液滴出现的“安全”设计参数(方柱间距边长比小于2.5),以及一种基于润湿性梯度的微流体操控方案。     

飞秒激光刻蚀CF/EP表面疏水性能研究北大核心CSCD

碳纤维/环氧树脂复合材料(CF/EP)在航空航天、交通运输、风电等领域中广泛应用,但由于长期工作在恶劣环境中,表面容易浸水、沾灰和结冰等。为改善CF/EP表面疏水性,先利用飞秒激光加工系统在其表面制备出乳突微结构,再采用白光干涉仪观测乳突微结构表面形貌,并结合接触角测量仪分析表面微结构的疏水性能;研究激光功率和微结构尺寸参数对乳突微结构及其疏水性的影响。研究结果表明:在扫描速度、脉冲频率一定的条件下,接触角与输入功率成正相关,当功率高于1.25 W时,接触角与输入功率成负相关;碳纤维/环氧树脂表面微结构的接触角随乳突半径的增大而减小,最大接触角达到139.7°;使用飞秒激光刻蚀CF/EP表面可以提高其表面疏水性能,并且乳突半径是影响CF/EP表面疏水性能的重要因素。     

纳秒激光诱导热解碳表面周期结构及参量优化

为了寻求激光加工的最佳工艺参量,采用纳秒激光在人工心脏瓣膜材料热解碳的表面加工微细结构,分析脉冲能量、激光扫描次数、脉宽、扫描速率、扫描间距对热解碳消熔规律的影响。根据热解碳的消熔规律构建了3种微结构模型;根据经典超疏水Cassie理论,分析了热解碳表面发生超疏水的条件,计算出在单位面积上,经硅烷化的热解碳表面微结构占总面积的百分数小于20%,表面就可产生超疏水性。以表面接触角值为实验指标,采用正交实验法优化出了激光诱导热解碳表面周期性结构的最佳实验方案,设计了6组实验参量,成功地在热解碳表面构建了凹坑阵列、平行光栅、乳突阵列微结构。结果表明,6种微结构表面硅烷化后都具备超疏水性。这对制备具有抗凝血性的人工心脏瓣膜表面具有很大帮助。     

超短激光制备单晶硅光栅结构的热积累效应和实验研究

针对超短激光辐照单晶硅材料制备光栅结构存在表面裂纹的缺陷,采用双温模型数值模拟出热积累效应,并且实验验证不同加工参数下制备的单晶硅表面光栅结构的表面质量。数值模拟出不同超短激光功率下电子温度和晶格温度的变化规律,通过调节不同的加工参数制备出单晶硅表面光栅结构沟槽,采用超景深三维显微镜对其表面形貌分析。结果表明:当超短激光的输出功率增大时,激光热驰豫时间变大,增大了非平衡状态下激光的烧蚀强度。单晶硅表面的不平整凹坑造成超短激光的反射和散射,从而使得烧蚀后存在凹坑,造成单晶硅表面的损伤溶蚀。当加工速度和加工次数一定时,增大激光的输出功率可以提高超短激光制备光栅结构的加工效率,但过大的激光功率反而造成光栅结构沟槽两侧出现溶蚀凹坑。     

纳秒激光诱导氧化钛片及涂层的润湿性研究

采用纳秒激光在纯钛片表面制备微织构,并辅助化学处理的方法,获得了类似"荷叶效应"且润湿稳定的超疏水表面。通过调整激光加工工艺参数,获得了具有不同润湿性的微纳米结构;在此基础上,采用全氟癸基三甲氧基硅烷和乙醇溶液的混合溶液在微结构表面制备涂层。采用扫描电子显微镜和能谱分析后可知钛板在激光作用下产生了多尺度的氧化钛多孔微结构;通过接触角测量表征进一步分析了钛片表面的亲水性与微纳米结构表面变化规律的关系,以及涂层对表面润湿性的影响,为生物医学药物输送方面的研究提供了参考。     

利用飞秒激光照射调控氧化石墨烯表面的浸润性能（特邀）

基于飞秒激光照射的改形控性技术是近些年发展起来的新兴微纳加工技术,其在快速、大面积、周期性亚波长结构的制备上展现出了独特优势。文中利用该技术在氧化石墨烯薄膜表面开展亚波长光栅结构的快速制备,并针对其中的加工机理、形貌变化及其液体浸润性进行了详细研究。通过改变飞秒激光功率和扫描速度等参数,实验获得了具有不同深宽比和表面“粗糙度”的还原氧化石墨烯样品,实现了液体接触角在15°~75°范围内可控的浸润性,并且其接触角在空气中放置20天后平均增加20°。文中的理论和实验结果为飞秒激光微纳加工和改性处理技术的发展奠定了基础,未来有望促进结构化石墨烯衍生材料在液滴收集、微流控等方面的应用。     

Surface modification of silicon by laser surface treatment: Improvement of adhesion and copper deposition

We have studied the use of lasers for modifying the surface properties of silicon to improve its wettability and adhesion characteristics. Using a 4th harmonic Nd:YAG (λ = 266 nm, pulse) laser, the wettability and adhesion characteristics of the silicon surfaces have been enhanced by laser irradiation. It was found that laser surface treatment of silicon modified the surface energy. By the contact angle measurement, using distilled water, the wetting characteristics of silicon after the laser irradiation show a decrease in the contact angle and a change in the surface chemical composition. In the case of the laser-treated silicon surface, laser direct writing of copper lines has been achieved through pyrolytic decomposition of copper formate by using a focused Ar⁺ laser beam (λ = 514.5 nm, continuous wave (CW)) on the silicon substrates. The deposited lines and surface chemical compositions were measured by energy dispersive x-ray (EDX), scanning electron microscopy (SEM), x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and surface profiler (Alpha Step 500, San Jose, CA) to examine the cross section of deposited copper lines.     

Surface Wettability of Nanostructured Zinc Oxide Films

Zinc oxide (ZnO) nanograin and nanorod films were prepared by magnetron sputter deposition and an aqueous solution growth method. Their surface wettability was studied in relation to their surface morphologies. While the surfaces of both films were hydrophobic, the nanorod films exhibited higher surface hydrophobicity. A superhydrophobic surface was obtained on a ZnO nanorod film with a water contact angle of 151 deg. Results have shown that their surface wettability was influenced by the morphology of ZnO nanostructures, including the grain size, the length, and density of nanorods. Both types of ZnO films showed switchable wettability under ultraviolet irradiation and dark storage.     

生物医学表面信息检测新方法研究

本文在血液等液体的表面上，激振出了一维表面波光栅，当激光束照射时，形成一列线阵分布的衍射光斑，它包含了生物表面特性的光信息，用电荷耦合器件等光电系统采集光信息与处理数据，从而为定量地表征生物表面信息，开创了新的研究途径。     

偏振激光诱导的薄膜表面周期性自组织结构

本文研究了激光诱导的周期性表面结构(LIPSS)在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜表面的形成过程。在导电玻璃衬底上制备得到PMMA薄膜,经p偏振的XeCl准分子激光照射后形成周期性的褶皱结构。用原子力显微镜(AFM)观察发现,形成的褶皱结构周期具有纳米量级,且当引入外加电场时,褶皱形成所需的激光脉冲数减少到2。当外加电压增加到30V时,褶皱的周期间隔明显减小,LIPSS变得不可控,出现了柱状的自组织结构。与直接用准分子激光照射的薄膜样品相比,外加辅助电压的引入改变了PMMA样品表面褶皱结构形成的时间和周期大小,褶皱形成的内部驱动力也发生了变化。     

粗糙地面与下方梯形目标复合电磁散射研究

利用MonteCarlo方法模拟了一维指数型粗糙地面,运用矩量法研究了粗糙地面与下方梯形截面导体柱的复合电磁散射特性,通过数值计算得到了复合散射系数随散射角的变化曲线,讨论了粗糙地面高度起伏均方根、土壤湿度、柱体埋藏深度、柱体大小、柱体倾角与复合散射系数依赖关系。结果表明粗糙面高度起伏均方根、土壤湿度对复合散射系数有显著影响,而柱体埋藏深度、柱体大小、柱体倾角对复合散射系数的影响较小。     

微秒激光制备超疏水表面及抑霜性能实验研究北大核心CSCD

为解决航空器在各种运行环境环境中可能出现的霜冰影响问题,利用微秒脉冲激光在钛合金表面制备了超疏水表面,并通过微观形貌、表面元素组成、润湿性和结霜实验等对超疏水效果和抑霜性能进行了分析表征。实验结果表明,微秒激光制备的不同扫描间距的微纳结构表面均达到了超疏水效果,其中扫描间距为0.2 mm的表面接触角可达159°,其表面激光作用形成的大量细小颗粒以及溅落的碎屑等形成的亚微米和纳米级结构,为空气中有机疏水基团提供了丰富的结合位点,二者共同带来了表面优良的超疏水性能,表面生长的霜层薄,霜枝较高,十分有利于外界作用清除。本方法可为航空领域霜冰问题的解决提供一定参考。