三级微纳超疏水表面的超快激光复合制备及防除冰性能研究

本文针对超疏水表面的防除冰性能,采用超快激光结合化学氧化的复合制备方法,开发了一类新的三级微纳超疏水表面结构,这类结构由微米锥阵列支撑结构以及在其上密集生长的金属氧化物纳米草结构和弥散分布的微米或亚微米花结构组合而成。经过表面改性后,这类三级微纳结构具有优异的超疏水性,其接触角可超过160°,滚动角在1°以内。对这类三级微纳超疏水表面的防结冰性能进行研究后发现,在冷凝和低温环境下,该类超疏水表面存在合并诱导自跳跃以及分级冷凝的现象,分级冷凝不仅可使表面上的一级冷凝液滴在高湿度环境下依然保持Cassie状态,还能使液滴在结冰前脱离表面,因此具有较好的防结冰性能;此外,由于表面三级微纳粗糙结构中捕获的空气囊具有较好的隔热作用,因此该超疏水表面具有良好的延迟结冰性能,其延迟异质形核的时间达到了52 min 39 s。最后,本文对三级微纳超疏水表面的疏冰性能进行了研究,结果表明:三级微纳超疏水表面的冰粘附强度仅为6 kPa,约为未经处理的铝合金表面的1/40;经过10次推冰测试后,该超疏水表面的冰粘附强度依然不超过20 kPa,说明该表面具有良好的机械耐久性,应用潜力巨大。     

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。     

飞秒激光制备仿生功能微纳结构及其应用

自然界中的微纳结构蕴藏着无尽的功能,为材料科学和工程技术的创新与发展带来了新的机遇。受生物体功能表面的启发,针对仿生表面开发出大量新功能,如结构色、超疏水、自清洁、光学性能调控等。飞秒激光制造是一种可以在微米和纳米尺度上精确控制材料结构的加工方式。通过调控飞秒激光加工参数,可以在多种材料体系中实现超越衍射极限的三维加工。飞秒激光直写加工技术的独特之处在于可以实现材料的跨尺度修饰,通过模拟优化,制备更加复杂的微纳结构。综述了利用飞秒激光技术制备仿生功能微纳结构的新进展,展示了该结构在结构色、表面浸润性、光学性能调控等方面的性能。讨论了飞秒激光制备仿生功能表面的应用前景。最后举例说明了激光微纳制造复杂高分辨率结构的新应用。     

纳秒激光诱导黄铜超疏水光滑涂层的抗盐腐蚀性能研究

黄铜是工业产品的重要基础性材料之一,其抗盐腐蚀性能的提升问题,近年来受到工业界和科研界的广泛关注。本文提出一种制备黄铜抗盐腐蚀涂层方法。首先,利用纳秒激光诱导出了具有微纳织构的黄铜超疏水表面,并用氟硅烷进行修饰增强其稳定性；然后在制备的超疏水性基体中注入硅油,获得超疏水光滑涂层表面；最后,浸入35wt% NaCl溶液中进行PDP和EIS测试,结果表明光滑表面的抗盐腐蚀性能优于普通超疏水表面,更优于原始黄铜表面。本研究可对金属防腐涂层发展起到一定的促进作用,对于激光诱导制备超疏水光滑表面具有重要意义,为工业领域的金属防腐蚀途径提供了方便和有效的手段。     

基于光刻法的复合织构硅橡胶表面的抗冰性能

制备超疏水表面是一种新型的抗冰方法。为提高硅橡胶复合绝缘子表面的抗冰性能,采用D80M多功能激光雕刻机进行加工,得到不同类型、不同尺寸参数的复合织构绝缘子伞裙表面。通过测试不同织构表面绝缘子的接触角,得到疏水性能最佳的表面织构类型及尺寸参数。同时,以延缓水滴在试样表面发生结冰的时间为评价标准,利用可程式恒温恒湿试验机设定环境温度为-10℃,测试水滴在不同织构化试样表面的凝结时间。结果表明：表面织构化明显提升了复合绝缘子伞裙表面的疏水性,使其达到超疏水性;尺寸和间距均为350μm的正方形+圆形织构的疏水性和抗覆冰性能最优,且抗冰耐久性良好。     

超快激光制备具有特殊浸润性的仿生表面

具有特殊浸润性的仿生表面包括超亲水表面以及各种类型的超疏水表面,这些表面具有自清洁、抗结冰、减阻等性能,近年来受到国际学术界的广泛关注。随着超快激光的快速发展,各种类型的特殊浸润性表面可通过超快激光制备得到。与其他方法相比,超快激光表面处理技术具有简单、灵活、可控的特点。结合本课题组在该领域的研究工作,综述了这一研究领域的研究成果。     

纳秒激光诱导铝板表面超疏水微纳结构北大核心CSCD

提出了一种利用纳秒光纤激光快速制备超疏水铝板表面的方法,对样品表面的接触角和粗糙度进行了测量。烘烤处理激光加工后的样品,得到了一系列具有不同润湿性能的铝板表面,增加激光能量密度可得到超疏水表面。研究结果表明,增加激光能量密度除了能提高铝板表面的粗糙度,还会形成明显的微纳二级结构;空气占铝板超疏水复合接触面总面积的90%以上;纳秒激光诱导铝板超疏水表面是微纳结构和化学成分共同作用的结果。     

超快激光制备金属表面可控微纳二级结构及其功能化

自然界中存在大量具有特殊微纳结构的多尺度表面,如荷叶、水稻叶、玫瑰花瓣、壁虎脚趾、鲨鱼皮、蝴蝶翅膀、昆虫复眼等,这些表面具有超疏水、超亲水、结构色、高敏感性、生物相容性等多种神奇功能。如何人工制备出仿生微纳米结构,从而实现师法自然和超越自然的目标,是材料与制造领域的重大课题之一。超快激光加工是灵活制备微纳米结构的可靠手段,但衍射极限制约了其纳米结构制备能力,且制备效率低下。本团队在过去的10多年中,在拓展超快激光微米与纳米结构制备能力以及仿生微纳结构的功能化方面开展了系统研究,发展了一系列超快激光微纳结构制备与双级精确调控新方法,探索了超快激光制备的微纳结构表面在超疏水、高抗反射、高敏感性和生物医学检测等领域的创新应用。超快激光制备形态多样的微纳米结构并实现仿生功能化是一个富有吸引力的研究方向,但仍然面临着诸如突破衍射极限以实现1～100 nm典型纳米结构的制备、功能化微纳结构的设计与制备以及大面积微纳结构的高效制备等挑战。本文为《清华大学建校110周年之光耀清华》专辑而撰写,旨在总结过去、面向未来,与本领域同仁一起交流探讨,共同推进本研究领域的发展。     

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。     

超快激光仿生复眼加工研究进展

作为一种典型的微纳光学元件,仿生复眼微视觉系统有机结合了光子学与微纳米技术的前沿科学成果,在机器人视觉导航、无人驾驶、微型飞行器系统等前沿领域具有广阔的应用前景。超快激光加工作为一种先进的制造技术,具有真三维加工、适用多种材料、微纳加工精度等优异特征,已成为制造多级结构仿生复眼视觉系统的理想工具。本文介绍了自然界昆虫复眼的结构特点,阐述和分析了各类型仿生复眼的超快激光加工研究进展,包括平面微透镜阵列、超疏水复眼透镜和大视场复眼透镜,最后分析了超快激光加工技术制备复眼透镜存在的问题和发展趋势,为仿生复眼视觉系统的进一步研究与开发提供有效参考。     

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。     

飞秒激光仿生制备超滑表面及其应用北大核心CSCD

仿生超滑表面由于能抗各种液体甚至动植物黏附,因而具有非常重要的研究价值和广泛的应用前景。飞秒激光微加工技术具有材料普适性强、加工精度高、可控性强等特点,在制备和调控特殊浸润性表面方面具有非常突出的优势。从仿生制造的角度出发,首先介绍了飞秒激光微加工在构建和控制超疏水表面、水下超疏油表面的相关研究进展,分析了其在实际应用中的局限和不足;概述了超滑表面的制备原则及飞秒激光制备超滑表面的工艺方法,系统地总结了飞秒激光制备的各类超滑表面,及其对多种液体和气泡的操控;介绍了超滑表面的一些典型应用;最后总结和讨论了飞秒激光制备超滑表面研究和应用中存在的问题及发展前景。     

微纳米加工表面和表层的完整性评价

对近年微纳米表面和表层的完整性评价技术和检测方法作了综合性概述,并且应用现有的高精度现代化测试设备,对超精密加工的硅、锗、玻璃、硬质合金、铝等材料的几种性能进行了实验研究,证明了这些手段和评价方法的可行性。     

飞秒激光刻蚀硅橡胶超疏水表面老化特征的研究

由于长期暴露在阳光、雨水、高低温等自然环境下,硅橡胶复合绝缘子的使用性能和工作寿命会下降,严重威胁了输电线路的安全稳定运行。因此,提高硅橡胶的耐老化性对于加强户外硅橡胶复合绝缘子的可靠性和延长使用寿命具有重要意义。飞秒脉冲激光能够在硅橡胶表面制备出稳定的超疏水状态,为了进一步研究该表面的耐老化性能,使用氙灯老化试验箱对样品进行700 h的加速老化实验。结果表明,超疏水表面的接触角从163°下降到150°左右,表明超疏水硅橡胶具有优异的耐老化性能。检测结果表明硅橡胶表面在老化过程中所产生的亲水性羟基是导致其表面疏水性下降的主要原因。进一步采用一种简单有效的热处理方法使其疏水性快速得到恢复。在200℃的加热环境中可以使老化后的样品表面接触角从150°恢复到163°左右,同时表面滚动角恢复到3°左右。该研究结果为增强硅橡胶在工作环境中的使用性能提供了理论指导,并在延长硅橡胶的使用寿命方面提供了一种新的手段。     

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。     

激光结构化超疏水表面的应用与研究现状

从超疏水理论出发,基于三种典型的基本润湿性模型揭示了材料表面粗糙度与固液接触面积对于制备超疏水表面的重要性。在此基础上,综述了直接激光写入（DLW）、直接激光干涉图案化（DLIP）以及激光诱导周期性表面结构（LIPSS）方法各自的优缺点。其中：DLW方法利用高能激光束对材料表面进行烧蚀,具备较高的自由度,能在各种材料表面构建任意三维结构,但其表面加工精度较差,难以建立多层次结构;DLIP方法利用多个相干激光形成的干涉图案对材料表面进行有选择的去除,能形成更精细的周期性三维微纳米分级结构;LIPSS方法可在材料表面获得大量空间周期在数百纳米的波纹结构,但加工时间较长。最后,从制备参数、表面结构形貌以及疏水性能等方面对不同的超疏水表面制造方法进行了归纳,并对其研究现状及发展方向进行了分析和探讨。     

高效纳秒激光多功能表面制备及抗腐蚀性研究

近些年,激光加工方法被广泛用于功能性表面的制备。然而,现有的激光加工方法在处理速率、生产成本、制备表面的耐用性/可靠性方面仍有很大进步空间。本工作致力于研发一种高效激光多功能表面制备工艺。此工艺将激光表面加工与化学浸润处理相结合,先使用一定工艺窗口下的激光加工过程对表面进行预处理,再使用化学浸润过程进一步修饰微纳结构,同时改变表面能/表面化学。研究结果表明,激光加工与化学浸润共同作用下制备的微纳米化合金表面实现了超疏水性能和表面显微硬度的提升,同时该表面在海水和海洋大气环境中还展现出了优异的耐腐蚀性能。相对传统激光处理方法,所提方法在一定程度上提升了制备效率并降低了生产成本,在海洋工程领域有很好的应用前景。     

激光微织构表面水滴撞击动力学行为特性研究

为了探究低韦伯条件下,微织构超疏水表面的液滴撞击动力学行为特性,利用激光微织构技术在航空用材Ti 6Al4V试样表面用不同扫描速度的纳秒激光制备出三角纹理微纳织构,借助高速摄像实验平台研究水滴撞击水平表面和倾斜表面动力学行为特性。实验结果表明,水滴冲击平表面高度越高,空气越不容易进入片层,使最大铺展系数增加;与平表面相比,相同高度的斜表面滑移时更多空气进入片层,最大铺展系数最小;其中在扫描速度为100mm/s的工况下,表面凸起占比达到64611,表面纳米颗粒最大,微米颗粒最多,表面的静态接触特性与动态接触特性最优。受表面结构和表面能协同作用共同影响水滴弹离表面的状态。本实验可为航空领域制备超疏水、主动防除冰表面提供一定参考。     

超疏水聚偏氟乙烯的激光加工

以激光加工工艺为基础,仿照荷叶超疏水表面对聚偏氟乙烯薄膜进行加工,实现了具有微结构、低表面能的超疏水聚偏氟乙烯表面,该方法简便且不涉及化学试剂。实验结果表明,激光处理后的聚偏氟乙烯薄膜表面具有类似荷叶表面的微乳突结构,碳元素与氟元素的含量(原子数分数)比由1.2提高至11.5。聚偏氟乙烯薄膜的水滴接触角约为82°,激光处理过的聚偏氟乙烯薄膜的水滴接触角约为150°,这表明经激光处理后的聚偏氟乙烯材料具有超疏水特点。     

TC4微织构表面液滴撞击特性实验研究

为了探究不同扫描速度下激光刻蚀钛合金微织构超疏水表面的液滴撞击特性,在工业用材TC4(Ti 6Al4V)表面进行一步成型激光刻蚀后,利用扫描电子显微镜和共聚焦电子显微镜对表面形貌进行观测,利用接触角测量仪测量表面的润湿性,利用高速摄像机实验平台捕捉液滴撞击过程。结果表明,受表面微织构和表面化学性能的共同影响,扫描速度为200mm·s-1的工况下,表面的疏水性能最佳;疏水性能好的表面由于黏性耗散低,液滴的最大铺展系数较大。