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。     

PMMA疏水性表面的飞秒激光制备研究

利用飞秒激光加工系统对PMMA表面制备微结构,调节激光的加工次数和微结构的尺寸参数,研究PMMA表面的润湿性机理.激光制备出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.研究了不同的激光加工次数和微结构尺寸对表面润湿性的影响,结果表明:PMMA表面微结构的接触角随光栅结构间...     

超疏水氧化锆陶瓷表面的激光加工+硅油修饰+热处理复合工艺及机理研究

氧化锆陶瓷以其优异的力学性能和生物相容性被广泛用作牙科修复材料。通过表面改性工艺调控氧化锆陶瓷的表面润湿性,可以进一步拓展其在不同领域的应用。基于此,笔者提出了一种高效、低成本的激光加工+硅油修饰+热处理复合工艺,并采用该工艺制备了超疏水氧化锆陶瓷表面。首先通过纳秒激光加工在氧化锆陶瓷表面诱导出周期性多级微纳结构,而后利用硅油异丙醇混合溶液（硅油体积分数为0.4%）修饰+低温热处理来降低激光处理后氧化锆陶瓷的表面能,制备出了表面接触角高达153.8°具有超疏水特性的氧化锆陶瓷。加工前的氧化锆陶瓷的接触角为80.4°±2.1°,展现出亲水性;经纳秒激光加工后,液滴完全浸润表面,接触角变为0°,表面转变为超亲水表面。采用硅油异丙醇混合溶液修饰+低温热处理工艺实现了表面超亲水特性向超疏水特性的转变。超疏水氧化锆陶瓷在空气环境和胶带剥离实验中分别保持了优秀的稳定性和耐久性。通过改变激光的扫描速度及扫描间距可以精准调控液滴在材料表面的润湿性和黏附性。所提方法相较于传统激光加工方法提高了制备效率,降低了生产成本,有望扩展超疏水氧化锆陶瓷在医疗领域的应用。     

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。     

纳秒激光织构钛合金表面及其润湿性研究

针对工业领域常用特种钛合金材料TC4(Ti6Al4V),采用纳秒激光加工技术进行表面织构加工,通过改变激光扫描间距,分析表面形貌构建以及表面润湿性转变机制。实验使用扫描电子显微镜与能谱仪分析表面微观结构与元素物相成分变化,通过接触角测量仪表征表面疏水特性。结果表明：进行激光织构加工后,材料表面亲水性大幅增加;在空气中暴露一段时间后,逐渐转变为疏水性并趋于稳定,扫描间距为60μm加工的表面最大接触角达到139.92°,其表面分布的显著多级微纳结构起到了关键作用。     

激光表面微织构调控镁合金的润湿性及抗盐雾腐蚀研究

镁合金具有比强度高、可加工性好等优势，但其耐蚀性欠佳，成为阻碍其进一步推广应用的瓶颈。采用纳秒激光在AZ91D镁合金表面进行微织构加工，并辅以低温热处理，获得了不同润湿性的表面。通过表征不同润湿性镁合金的表面形貌和成分、静态接触角以及耐蚀性，研究了镁合金表面激光调控润湿性的方法以及镁合金耐蚀性提高的机理。实验结果表明：激光加工和后续的低温热处理促使表面的C元素含量升高；表面形貌和表面C元素可以协同调控表面的润湿性；激光加工可以促使镁合金表面形成氧化膜，有助于提升镁合金的抗盐雾腐蚀能力；亲水性微织构表面的耐蚀性优于原始表面；超疏水Cassie表面具有优异的抗盐雾腐蚀性能，这是由于盐雾液滴在其表面的停留时间短。     

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。     

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。     

基于超快激光的浸润性可控表面无泵运输轨迹制备

为实现基于超快激光铝板浸润性梯度轨迹上的液滴无泵运输,进一步提高液滴运动速度,利用纳秒激光器在1050铝板上制备出超疏水表面,再通过飞秒激光器在超疏水表面制备出楔形超亲水轨迹。采用接触角测量仪、电子扫描显微镜和傅里叶红外光谱仪测量样品表面的浸润性、表面形貌和化学成分,通过高速摄像机记录液滴在水平面和30°斜面上的运动情况。结果表明:通过激光方法可在铝板上制备出浸润性循环转变的表面,接触角由0°变为164.6°,再由164.6°变为0°;随着超亲水轨迹楔角α由4°变为10°,液滴的最大速度由300 mm/s变为500 mm/s;随着样品的加热环境由空气变为真空,样品滚动角由大于30°降为3.04°,液滴的平均速度由50 mm/s变为100 mm/s。增大轨迹楔角或降低超疏水表面黏附力,都可以有效提高液滴在浸润性梯度轨迹上的运动速度。     

纳秒激光微织构TC4表面的抗结冰能力

飞机发动机唇口表面结冰将会严重影响飞行安全,研究表明具有微纳结构的表面能有效提升其抑冰性能。文中以Ti6Al4V(TC4)为基底材料,采用纳秒脉冲激光制备TC4微结构,利用扫描电子显微镜(SEM)、接触角测量仪和冷台实验装置对样品表面的微观形貌、化学元素组成、润湿性和抑冰性能进行表征。结果表明：其他激光参数一定的情况下,扫描间距为80μm的样品表面的分形维数最高,其值为1.683,表现出优异的抑冰效果。接触角和分形维数大的表面结冰时间延迟。     

M35高速钢飞秒激光加工表面亲液性试验研究

使用波长为1 030 nm飞秒脉冲激光在M35高速钢表面加工微凹坑阵列,运用光学显微镜、白光干涉仪和接触角测量仪分别测量样品表面的三维形貌和接触角,探究不同参数对样品表面形貌和接触角的影响规律。结果表明,随能量密度和扫描次数增加,微凹坑的半径和深度均增大,M35高速钢表面接触角减小,样品表面亲水性增大,微凹坑间距减小可提高M35高速钢表面的亲液性。试验结果可为高速钢表面润湿性的研究提供参考。     

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。     

钛表面微凹凸织构的激光加工及其细胞黏附研究

钛以其优异的力学性能和良好的生物相容性而被广泛用于制造医疗植入体。为提高钛在人体内的稳定性、抗菌性等,需对其表面进行修饰改性。本研究采用飞秒和皮秒激光在钛表面加工出微凹槽和微凸起结构,对比了两种激光技术在钛表面加工的微凸起和微凹槽结构在表面形貌、亲疏水性和生物相容性等方面的差异。表面形貌、轮廓、元素的表征结果表明两种激光加工结构的尺寸主要受能量密度的影响,而形状受光斑重叠率的影响较大,皮秒激光加工表面的氧含量较高。由于飞秒和皮秒激光改性钛表面微织构形貌的差异,水接触角(以下简称“接触角”)从初始的40.25°分别降为9.88°和0°。通过对比样品在空气、真空、生理盐水中保存3 d后的表面接触角发现,皮秒激光加工样品表面能保持稳定的超亲水性;经硅烷处理后,飞秒激光改性表面的接触角可达152.80°,而皮秒激光改性表面的接触角为146.38°。细胞黏附和增殖的实验结果表明飞秒激光加工的微凸起或微凹槽线阵有利于细胞的黏附和排列,而皮秒激光加工的微凸起或微凹槽线阵有利于促进细胞的铺展和迁移。     

镍基高温合金光束耦合纳秒激光铣削表面成型质量研究

激光铣削具有材料适应性广、激光能量密度可调控以及无机械力等特点，可用于难加工材料镍基高温合金的材料去除加工。本团队采用光束整形的多激光束耦合纳秒激光开展了DZ411镍基高温合金微铣削表面的工艺研究，分析了扫描次数N、扫描速度v、扫描间距s、脉冲频率f以及激光功率P等工艺参数对铣削表面形貌、表面粗糙度、铣削效率以及表面元素分布等的影响机制。结果表明：多光束耦合激光对材料的去除机制主要是汽化与重熔，在加工表面形成了凸起与凹坑等周期性多尺度特征；当N=10、v=100 mm/s、s=25μm、P=15 W、f=10 kHz时，面槽底部的粗糙度R_a最大(51.75μm)，铣削效率也达到最大值(1.87 mm³/min)；随着扫描间距s由15μm增大到35μm或激光功率P由5 W增大到15 W，铣削效率逐渐增大；激光铣削过程中材料发生了复杂的物理化学变化，加工表面的凸起结构中可能包含多种金属氧化物和金属间化合物。本研究工作可以拓展激光加工的工艺类型，为新型激光铣削参数优化提供工艺支撑。     

基于微结构表面超疏水性的液态金属图案化方法

使用CO2红外激光对商业聚酰亚胺膜(PI)胶带进行物理改性,激光烧结PI表面产生微结构凸起状的石墨烯.采用接触角测试仪表征了液态金属(EGaIn)在PI未处理光滑面与石墨烯微结构粗糙面上的接触角,结果表明,激光对PI的物理改性使得液态金属与基底的接触角从135°±2°提高至140°±2°.利用液态金属在不同表面表现不同...     

皮秒激光加工工艺对微沟槽表面的疏水性研究

为了研究紫外皮秒激光在均热板基板表面刻蚀微沟槽后,不同激光工艺参数对微沟槽表面疏水性的影响规律,采用Cassie-Baxter模型进行了理论分析,并利用单因素实验法,改变激光扫描速率、激光扫描间距、光斑横向重叠次数进行实验验证.结果表明,降低固-液区域面积占比、宽度或缩短沟槽间距,均可以提升微沟槽表面的疏水性能;造成微...     

激光在微流体、微光学和微细胞培养等聚合物修饰中的辅助应用

在直接制备用于生物分析领域的毛细管电泳聚合物芯片时，研究了激光在辅助聚合物成型中的应用。许多时候，激光在做激光表面处理时会引起化学、物理和表面形貌的变化。这一物质特性适合应用在集成芯片上。本文主要介绍研究人员在微光学、微流体和细胞等领域所进行的激光辅助聚合物（PS）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）修正研究的成果。基于此目的，研究人员还对折射率的改变、润湿性和蛋白质吸附性以及动物细胞的粘附性与激光和处理参数之间的函数关系进行了研究。通过X射线光电能谱来表征表面可能发生的化学变化。利用二维和三维的PS和聚碳酸酯（PC）表面实现了适用于高细胞粘附性的紫外激光辅助化学结构。在高于和低于激光熔融阈值两种机制下进行了探测。产生的碎裂主要是用来提高细胞粘附力。另一种情况下，聚合物表面光催化作用，包括在氧气或周围空气中引起的氧化．导致了细胞介质中的蛋白质吸附性高度定位变化和细胞吸附性大幅度提高。 还研究了PS和PMMA聚合物表面润湿性的高度定位控制，对于PS来说，动态接触角度可以在2°－150°之间调整。这样可以做到合适的曝光剂量和恰当选择处理过程中所用气体（氦或氧气）。对于PMMA来讲，在激光熔融阈值以下可以观察到远没有PS明显的类似现象。PMMA的动态前置接触角可以在50°～80°之间调节。还将讨论微流体应用的润湿性调整。 在将集成光波导集成到微流体装置中时，研究了一种快速制作PMMA单模光波导的新方法。为了达到该目的。在掩膜技术中采用了高重复率的准分子激光器。波导适用于可见光区域和1559nm。得到的结构在可见光区域的吸收系数为0．7dB／cm。     

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。     

开关面板微纳结构的激光制备及超疏水性研究

为了解决厨房用开关面板抗油污沉积的问题, 采用飞秒激光在开关面板表面制备出微纳米复合结构表面, 实现了超疏水性, 进而减少油污沉积附着, 研究了聚碳酸酯(PC)开关面板的激光烧蚀阈值、不同激光工艺参数和微纳结构对表面浸润性的影响。结果表明, PC开关面板在515nm波段下的烧蚀阈值为1.66μJ; 当激光能量为1.6μJ、扫描速率为200mm/s、搭接率为1/3线宽时, 其表面液滴接触角为161°, 表现出超疏水特性。经激光表面处理后的PC面板具有超疏水性, 可实现表面的自清洁作用, 显示出巨大的市场潜力。     

大高径比硅纳米阵列结构制作工艺及表面润湿性

具有表面润湿特性的大高径比纳米结构在诸多领域有广泛的应用,如液滴的微流控输运等。然而,大高径比纳米结构的低成本制造具有一定的挑战性。为此,采用二氧化硅纳米粒子自组装制备的薄膜及线条阵列的掩蔽干法刻蚀工艺,通过调节Bosch工艺刻蚀步数,实现了高径比从2∶1至几十比一的硅纳米结构。以纳米粒子薄膜和纳米粒子线条阵列作为掩蔽层进行刻蚀制备的硅纳米阵列结构表面分别展示了各向同性和各向异性的表面润湿特性。实验结果表明,随着刻蚀步数的增加,表面润湿特性发生从Wenzel亲水状态向Cassie-Baxter疏水状态的转变,同时各向异性的静态接触角和滑动角呈逐渐减小趋势。另外,纳米墙阵列结构表面展现了近似于荷叶效应的超疏水特性,前进接触角达到160°以上,而滑动角小于5°,利用具有不同粘附特性的表面,可以实现液滴从低粘附表面向高粘附表面转移。