激光织构化不同材料表面对润湿性能的影响

采用激光微织构加工技术分别在SAF2507双相不锈钢和碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)表面制备不同形状、面积占有率的微织构凹坑，通过润湿性试验分析时间、液滴体积、微织构形状与面积占有率、液滴种类对润湿性的影响。结果表明：液滴润湿材料表面过程中，固液接触角先随时间迅速减小，后保持在一个较为稳定的值；使用体积较大的液滴测量接触角时，液滴铺展的速度减缓，接触角的测量值变小；CF/PEEK表面的接触角随微织构面积占有率的增大而减小，SAF2507表面的接触角随微织构面积占有率的增大而增大；微织构面积占有率相同的表面，方柱形微织构表面的接触角小于圆柱形微织构表面，润湿效果更好；天然海水在光滑和织构表面的接触角均小于蒸馏水。     

空气/液体环境下一步法制备304不锈钢织构表面的润湿性研究

表面润湿性是表面技术的研究热点。为研究不同加工环境中激光制备微织构对304不锈钢表面润湿性的影响,采用光纤激光打标机,在空气、无水乙醇环境中采用一步法制备了微织构表面,从织构形貌、织构表面化学成分分析加工环境及激光参数对304不锈钢表面润湿性的调控机理。结果表明,无织构304不锈钢表面接触角为56.89°,表现出了亲水特性;空气环境中制备的织构为微米尺度的沟槽织构,与无织构304不锈钢表面相比O原子明显增多,其表面接触角为10.61°,表现出了高亲水特性;试验所选参数范围内,无水乙醇环境中制备的织构为不规则的微纳织构,与无织构304不锈钢表面相比新增了大量C原子,其表面接触角为66.14°～117.83°,表现出了疏水特性;亲/疏水表面可以应用在微量液体的定向输运。影响304不锈钢表面润湿性的因素主要有:织构形貌,表面化学成分。该研究为304不锈钢表面润湿性调控提供了参考。     

类金刚石薄膜表面润湿调控研究综述

表面具有特殊润湿性特别是超疏水性的类金刚石薄膜,可满足在极端服役环境下(比如雨雪、潮湿环境中或者人体组织内)智能界面材料表面改性的需求.概述了类金刚石薄膜的生产工艺和性能优势及制备方法,介绍了具有特殊润湿性,特别是超疏水性的类金刚石薄膜的应用背景,同时提出了类金刚石薄膜表面润湿调控在理论和技术上的限制.在此基础上,阐述了类金刚石薄膜表面本征润湿性及与微观结构(包括杂化状态和短程或中程有序相团簇结构)间的关系.同时,基于经典的Wenzel和Cassie润湿理论,从表面化学组成和粗糙结构两个方面,重点论述了类金刚石薄膜表面润湿调控的方法及研究现状.通过等离子体表面处理、元素掺杂或者化学修饰改变DLC薄膜表面化学组成,实现DLC薄膜表面本征润湿改性.通过基体表面织构化或者薄膜表面形貌控制,构建DLC薄膜表面粗糙结构,控制界面润湿状态.二者共同作用可实现DLC薄膜表面润湿性在超亲水和超疏水之间变化.最后,总结并指出当前类金刚石薄膜表面润湿调控存在的一些关键科学问题,同时展望了未来的发展趋势.     

超快激光制备仿生织构研究进展

织构化可使零件或设备表面实现降低磨损、改变润湿性并提高抗反射性的效果，在医疗、机械、航空和海洋等领域展现出强大活力。为提升织构效果，表面织构技术引入仿生设计，通过在材料表面加工出类似生物表层的微/纳结构以达到特种表面需求。超快激光织构化是目前较为先进且重要的一种织构加工技术，针对超快激光制备仿生织构表面进行系统总结十分必要。对激光加工原理，以及制备耐磨性、润湿性、抗反射性三类特种表面的研究现状进行综述，简述三类织构表面的作用原理、仿生设计与优化。结果表明，超快激光可在材料表面制备出低热源损伤、高表面性能的精细仿生织构，通过仿生自然界中的生物表面结构，织构表面能够实现降低表面摩擦因数，获得超亲/疏水表面以及优异的抗反射性能。但超快激光无法准确烧蚀出所需织构尺寸结构，需要对激光加工进一步研究，将设计与加工紧密联系，构建超快激光织构化体系，实现未来超快激光织构化生产应用。     

材料表面微纳结构的制备及其研究进展

介绍了材料表面微纳结构的几种制备方法及其特点,重点阐述了化学刻蚀法制备微纳结构及其结果分析,以及微纳结构对材料表面的润湿性和摩擦性能的影响,综述了材料表面微纳结构在国内外的研究进展,并对其发展进行了展望.     

旋带掩模电解织构化圆柱表面及其润湿性分析

在圆柱面工件上高效、低成本地创制功能化极端润湿性表面仍面临重大技术挑战。对此提出旋带掩模电解织构技术。该技术直接选用市售带状柔性电绝缘多孔高分子编织布为活动掩模，以中性盐Na NO3溶液为电解液，基于旋带电解印制方式对金属圆柱表面进行织构化处理。介绍其工作原理，分析圆柱表面微织构形貌与几何廓形的演化过程，试验探究极间电压、旋带速度、加工次数等对表面织构特征的影响，评测氟化后的不同微结构特征的织构化表面的润湿性。结果表明：圆柱表面织构特征显著受加工次数的影响，随加工次数的增加，圆柱表面经历“反复复制”掩模印制阵列凹凸微结构、阵列凹凸微结构叠错-细化、微纳米分级结构分级化等表面微织构化演化过程；用时仅需249 s制备的外径49 cm、长50 cm的SUS304圆柱面（氟化后）微-纳米分级结构表面对水/甘油/十六烷的接触角分别为160.4°、 158.5°、 153.6°、滚动角分别为2.1°、5.6°、8.6°；呈现优异的超双疏极端润湿性且机械耐久性好。旋带掩模电解织构技术在圆柱面工件制取机械耐久性极端润湿性功能表面方面呈现高效、低成本、便于实施等优势。     

透明超疏水表面的研究进展

对于太阳能电池系统、汽车挡风玻璃、相机镜头等光学器件,高透明性是其功能的最重要指标之一.由于这些设备经常暴露在室外,大量的灰尘污垢会严重影响其性能.透明超疏水表面由于具有优异的光学和抗污性能,在光学器材领域有着很高的应用前景.首先总结了表面润湿性理论,主要包括Young润湿方程、Wenzel润湿模型和Cassie润湿模型,通过润湿性理论指出制备超疏水表面的条件——低表面能物质和粗糙结构二者缺一不可.其次,讨论了粗糙度和透明度之间的竞争关系,通过瑞利散射和米氏散射理论,得出制备透明超疏水表面还需要同时满足材料表面粗糙度小于100 nm.然后,归纳总结了近十年来透明超疏水表面常见的制备方法,如溶胶凝胶法、化学气相沉积法、模板法、相分离等方法,并对这些制备思路和方法进行了分析,概括了这些方法当前存在的一些问题.最后,简单介绍了透明超疏水表面在太阳能电池、光学元器件、光催化材料等领域的应用,并对透明超疏水表面的未来研究方向和应用前景进行了展望.     

基于激光表面微纳结构的胶接性能研究进展

胶接具有独特的性能而被广泛关注,但在实际应用中往往由于界面结合强度不足而导致接头在服役过程中过早失效。激光表面处理是一种能够有效提高胶接接头表面性能的方法,通过激光表面处理会使黏接材料表面形成不同的表面微纳结构,从而改善接头的性能。首先介绍了激光表面处理原理及激光器分类,对比了不同激光器的优缺点及加工质量特性,分析了激光加工参数对接头强度的影响。其次从激光加工不同表面微纳结构入手,阐述了不同表面微纳结构的加工方式,分析了不同表面微纳结构对不同材料接头强度的影响。此外,针对不同的表面微纳结构,其结构参数有所不同,导致接头表面化学成分和润湿性能也有所不同,使得接头强度有所差异,在此基础上分析了微纳结构参数对接头强度的影响及原因。同时,胶层间的作用机制与接头强度具有密不可分的联系,研究表明,不同的表面微纳结构对胶层的作用机制具有明显的不同,归纳总结发现,经激光表面处理形成表面微纳结构后接头表面粗糙度、化学性质、润湿性能及胶层间裂纹的扩展对接头强度的提升具有一定作用。最后,对激光表面处理微纳结构的研究进行了展望。     

化学刻蚀法调控铝合金阳极氧化膜的表面结构及防腐性能

为了提高铝合金的耐蚀性能,采用化学刻蚀与阳极氧化相结合的方法在铝合金表面构造了微纳结构,经进一步化学修饰后得到耐蚀性能良好的表面防护膜层。利用扫描电子显微镜、红外光谱仪表征所制备膜层的表面形貌和化学成分,采用激光共聚焦显微镜测定样品的表面粗糙度,通过接触角测量仪和电化学工作站对膜层的润湿性和防腐性能进行表征,考察刻蚀时间对于膜层表面结构和耐蚀性能的影响规律。结果表明:当刻蚀时间为3min时,膜层的耐蚀性能最佳:相对于未经刻蚀的样品腐蚀电位正移了0.15V,腐蚀电流下降了两个数量级。且接触角最大(152°),这是由于此条件下制备的薄膜表面微/纳结构最完整、比例最合理。     

超快激光制备金属抗反射表面的研究进展∗

金属材料抗反射表面在太阳能电池、光电子产品和军事隐身等领域具有广泛应用,制备微结构的金属抗反射表面具有极大地挑战性,通常这种结构是通过相当复杂和耗时的技术制备。 超快激光微加工技术刻蚀的微纳抗反射结构具有可控、稳定、环保且单步制备等特点,已成为近年来的研究热点。 梳理抗反射表面的理论模型及影响因素,概述国内外超快激光刻蚀抗反射表面的结构类型,提出未来超快激光制备金属微纳结构可能在太阳能电池的开发和利用、军事隐身及环保产品的应用等领域得到应用。 最后,总结超快激光刻蚀制备抗反射微纳结构表面存在的问题,并对超快激光加工微纳结构抗反射多功能表面的应用前景进行展望。 结果表明:超快激光在金属表面织构能够制备纳米、微米和微纳混合多种类型的微纳结构,实现了金属表面多种波段的超宽波谱的低反射率。 随着波长的增加,具有微纳米结构的金属表面的反射率比具有相对光滑结构的金属表面的反射率增加得更慢。 对超快激光制备金属抗反射表面在各领域的应用研究有一定的理论依据与参考意义。     

非晶合金表面极端润湿性的研究进展

随着近代仿生学的不断发展,极端润湿性界面材料作为一种新型功能材料,已成为材料科学研究领域的热点之一.非晶合金由于具有较低的表面(自由)能以及在过冷液相区的超塑性,成为了制备功能性表界面的理想材料之一,尤其是超疏液表面的理想材料.利用Young′s、Wenzel、Cassie-Baxter三种不同的润湿模型,对非晶合金表...     

轻金属表面微纳制造与功能防护

在使役过程中,机械装备的失效往往始于表/界面。轻金属材料（如铝、镁、钛及其合金等）由于其高强度、低密度和高延展性等性能,在航空航天、汽车、电子、生物医学和海洋工程等领域获得了广泛的应用,但由于其化学活性高而易腐蚀、质软而耐磨性差等性质也限制了它们的应用范围。近年来,科学界涌现出对轻金属表面进行微纳米化加工、处理等许多技术,如激光刻蚀、化学刻蚀、阳极氧化以及微弧氧化等。通过利用这些技术手段对其表面结构和组成进行改性和调控,可以改善材料本身的某种性质（如机械性能）或赋予一些潜在的应用（如防腐、抗菌等）,从而实现材料表面的多功能化防护。结合近几年国内外学者的研究及课题组的一些研究工作,概括了轻金属表面微纳结构的设计方法和原理以及与表面功能防护的关系,以及通过在材料表面构筑多功能复合界面,以提升抗磨、耐蚀以及防结冰、自清洁等性能,最后对轻金属表面的微纳制造与功能防护的发展进行了总结和展望。     

时效温度对化学刻蚀304不锈钢超亲水稳定性的影响

目的利用化学刻蚀、化学氧化方法在304不锈钢表面制备微纳米结构并实现超亲水性质,改变时效处理温度,研究亲水表面润湿性的稳定程度。方法以2 mol/L的FeCl_3溶液、HCl、H_2O_2按照15:1:1的体积比混合得到刻蚀溶液,氧化液采用CrO_3与H_2SO_4的混合溶液。刻蚀完成后,通过接触角测量仪(OCA15EC)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)及自带的能谱仪(EDS)表征试样表面的接触角、微纳米级表面形貌及试样表面元素,并分析不同处理条件下润湿性的变化规律。结果在本征润湿角为45°左右的304不锈钢基体上,通过化学刻蚀、化学氧化的复合处理方法可以获得超亲水表面。常温条件下,试样能够维持一定时间的超亲水性质。高温时效处理后,超亲水表面的润湿性发生变化,经400℃时效处理后,重新获得超亲水特性。结论该方法较易在耐腐蚀基体不锈钢表面制备微纳米结构,对基体表面润湿性产生影响。     

复合梯度楔形表面上液滴自输运特性的数值研究

目的 提高表面液滴的自输运速率。方法 在表面引入润湿梯度和楔形形状,基于VOF模型(流体体积模型)对表面液滴运动进行数值研究,并建立一种适用于润湿梯度和楔形图案联合的模型,分析润湿梯度和楔形角度对液滴位移的影响。结果 润湿梯度越大,液滴受不平衡的表面张力越大,液滴移动速度越快。润湿梯度为15 (°)/mm表面上液滴的平均速度比10、5 (°)/mm润湿梯度的表面分别快42.3%和130%。楔角越大,加速阶段的液滴移动速度越快,但会越早失去驱动力而停止移动,而楔角越小,液滴移动位移越大。液滴在40°楔角表面最先停止运动,在20°楔角表面位移比30°和40°楔角表面分别远10.3%和32.3%。联合润湿梯度和楔形图案后,15 (°)/mm表面上的液滴在20°、30°、40°和20°楔角表面上的液滴在15、10 (°)/mm下均能运动到计算模型出口,且15 (°)/mm、40°楔角表面液滴的平均速度达到292 mm/s,比单一梯度表面增长37.7%,比单一楔形图案表面(20°)增长175.5%。结论 通过调节润湿梯度和楔形角度,可有效控制液滴移动速度。联合润湿梯度和楔形图案的复合梯度楔形表面能同时减小润湿性范围瓶颈和楔形形状制约,提高表面液滴的移动速度和距离。研究结果将有助于设计高效的液滴输运功能表面,并可将其扩展到冷凝装置、微流体装置和药物检测等领域。     

生物医用钛植入体表面微纳结构与生物活性离子对生物相容性影响研究综述

生物医用钛植入体的表面微观形貌及化学组成作为影响植入体生物相容性的重要因素,决定了植入的稳定性和使用寿命,得到广泛研究,对钛植入体的表面改性研究现状进行系统梳理变得极为重要。针对钛植入体表面微纳米复合结构的构建及添加典型生物活性离子的研究现状进行综述,以及二者的结合对促进细胞黏附、增殖、分化和促进动物体内成骨的协同效应,简述微纳米复合结构对细胞行为的内在调控机制。结果表明,钛植入体表面的微纳米复合结构及生物活性离子对细胞的行为均表现出积极作用,兼具二者的植入体能够更好地促进细胞的黏附、增殖及分化,植入动物体内后更有利于植入体与周围组织的骨性整合。最后,根据当前生物医用钛植入体表面改性研究中存在的抗菌性能较差、对细胞的影响机制不明确等问题,提出植入体在表面改性领域的研究趋势。提出了钛植入体表面改性领域微纳结构构建和生物活性离子添加的研究现状和未来的发展方向,填补了钛植入体表面改性领域目前缺少综述文章来引领的空白,可为未来钛植入体的表面改性的发展提供借鉴。     

飞秒激光制备梯度润湿性单晶硅表面∗

针对化学气相沉积、自组装技术等表面制备方法存在化学污染、表面结合强度低等问题,运用飞秒激光在单晶硅表面加工正方形微凹坑阵列制备梯度润湿性表面,使用白光干涉仪、扫描电子显微镜、能谱仪和接触角测量仪分别测量单晶硅表面粗糙度、微观形貌、化学成分及接触角。 通过改变激光能量密度制备不同梯度润湿性表面,研究不同激光能量密度下液滴在梯度润湿性表面上的铺展规律。 结果表明:随激光能量密度增大,表面粗糙度参数算术平均高度、均方根斜率和界面扩展面积比整体呈增大趋势,表面接触角整体呈减小趋势。 由于激光能量密度增大导致的单晶硅表面平行微凹槽、重凝层及不规则微纳结构使均方根斜率、界面扩展面积比及表面接触角出现波动。 液滴在梯度润湿性表面定向铺展分为加速与减速两个阶段,减速阶段速度伴随明显波动现象,小体积液滴的铺展速度更快。 实现了飞秒激光高精度、非接触、过程可控的梯度润湿性表面制备,结果可为制备单晶硅微流控器件提供理论参考。     

微/纳米结构和接枝多肽的钛表面生物活性

评价了经化学和仿生改性后的4种钛试样的矿化性能.4种表面改性层分别为:锐钛矿纳米管(N),微/纳米结构(MN),纳米管表面接枝精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸-半胱氨酸(NR),微/纳米结构表面接枝精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸-半胱氨酸(MNR).结果显示,表面矿化沉积物是羟基磷灰石,同样条件下,试样的诱导矿化能力依次是MNR﹥MN﹥NR﹥N.在生物材料表面构建微/纳米结构并接枝多肽是一种有效的表面改性方法.