短脉冲激光制备不锈钢表面织构的研究何莎莎--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

短脉冲激光制备不锈钢表面织构的研究何莎莎

发表时间：2021/2/1 来源：《论证与研究》2020年12期作者：何莎莎

[导读] 摘要：本文主要介绍短脉冲激光的发展及其加工特点，利用短脉冲激光制备不锈钢金属表面织构的关键技术。本文利用飞秒激光在不锈钢表面进行微纳米孔阵列制备，经氟硅烷修饰后，静态接触角不小于160°，实现超疏水。

                                                                           何莎莎
                                                     （浙江机电职业技术学院 310053）
        摘要：本文主要介绍短脉冲激光的发展及其加工特点，利用短脉冲激光制备不锈钢金属表面织构的关键技术。本文利用飞秒激光在不锈钢表面进行微纳米孔阵列制备，经氟硅烷修饰后，静态接触角不小于160°，实现超疏水。
        关键词：短脉冲激光；不锈钢；表面织构
        一、什么是短脉冲激光
        自20世纪60年代第一台激光器诞生以来，激光技术飞速发展，激光输出的脉冲宽度向越来越窄的方向发展，目前常用的有纳秒、皮秒和飞秒。对于脉冲激光，我们根据脉冲宽度的长短，将脉冲激光分为长脉冲激光和短脉冲激光。长脉冲激光如纳秒激光微加工，其原理是基于材料中的电子共振线性吸收获得的能量，将材料逐步熔化、蒸发移除。由于激光脉冲持续时间较长，远大于材料热扩散的时间，电子传递给离子的能量很高，热扩散涉及比焦点更大的区域，激光聚焦点周围一个较大的范围会被熔化。[1]短脉冲激光具有比较小的脉冲宽度，能够在极短的时间和极小的空间内与物质相互作用，作用区域内的温度在瞬间内急剧上升，并产生等离子体向外喷发，这样热量就会被迅速带走，从而不及在材料内部扩散，能有效减少材料表面的热融化，热影响区非常小，呈现锐利的加工边缘，加工精度高，大大减弱和消除了传统加工中热效应带来的一些负面影响。[1]短脉冲激光以其独特的超短脉冲持续时间和超强的峰值功率在各种材料超精细、高质量加工方面展现了极其美好的应用前景，在机械、电子、医疗方面等多个领域已经取得了非常广泛的应用，主要包括合金化处理、冲击作用硬化、高效率烧蚀、等离子体辐射和非线性加工绝热加工等。本文所用采用短脉冲激光为飞秒激光器。
        二、为什么要制备表面织构
        金属材料广泛应用于航空、汽车、建筑、电子工业、机械制造、石油化工和船舶等领域。然而金属也有着不可忽视的缺点，如耐磨性差、极差的耐酸碱腐蚀等，此外，复杂多变的应用环境也对金属使用性能及使用寿命产生不小的影响。针对上述这些问题，我们希望对金属表面进行改性，而金属表面织构的制备是实现材料表面改性的有效途径之一。
        受荷叶“出淤泥而不染”的表面特性启发，科研人员开始对荷叶表面结构进行研究，发现荷叶表面具有独特的结构形貌，并且表面覆盖有一层特殊的化学物质，使得落在荷叶表面的水不会铺展而是形成了一颗颗类球形的水滴，水滴可以自由地滚动并带走荷叶表面灰尘，这种现象被称为“荷叶效应”，基于此科研人员进行了仿荷叶制备。除了仿荷叶制备，科研人员还仿鲨鱼皮，仿防水稻叶等，制备了一系列仿生结构。河南大学刘山虎团队研发了适用于建筑物外墙及玻璃表面的自清洁涂料，该涂料在干燥成膜过程中可形成类似荷叶表面的微凸结构，并赋予材料表面优异的疏水、防尘及自清洁效果。[2]西北工业大学何洋教授团队针对中小型无人机功率低负载小，难以进行传统防除冰技术，成功研制了仿秦岭箭竹叶疏冰微纳结构的复合飞机蒙皮，极大降低除冰能耗，并实现了首次飞行实验。[3]如果我们能够在不锈钢表面进行仿生制备织构，那么不锈钢表面性能也将有所改变，使其获得疏水特性，在一定程度上能够减缓摩擦磨损和提高耐腐蚀性，提高不锈钢性能，延长使用寿命，拓展应用领域。
        三、不锈钢表面织构的可控制备
        金属表面织构的制备是指通过不同的方法在材料表面加工出具有不同形貌及尺度的微纳结构，以此赋予材料新的功能特性。目前微纳结构的制备方法主要有物理法和化学法两种，物理法主要有激光雕刻、模板复印、静电纺丝以及各种精密铣削等机械加工方法；化学法主要包括化学气相沉积、溶胶凝胶、化学刻蚀、阳极氧化等。
        短脉冲激光避免了激光线性吸收、能量转移和扩散等的影响，使短脉冲激光加工成为具有超高精度、超高空间分辨率的非热熔“冷”处理过程。短脉冲激光作用于金属材料，可以产生纳米周期波纹结构、纳米颗粒、纳米棒、微米锥、微米孔和微米沟等结构。本文选用不锈钢作为基础材料，利用飞秒激光设备，在其表面可控制备微纳米孔阵列。本文通过大量的试验摸索，制定了飞秒激光制备不锈钢表面微细结构的具体工艺，通过调节短脉冲激光的工艺参数（激光功率、扫描速度、耦合率、脉冲作用时间等），来控制不锈钢表面小孔的熔深、熔宽及热影响区范围，以实现微纳米孔阵列的制备。不锈钢表面微纳米孔阵列的扫描电镜见图1。
        随着微纳表面织构制备的不断发展，微纳结构的表面性能研究也不断深入，特别是与工业应用密切相关的自清洁、耐腐蚀、滑移减阻、防覆冰、油水分离、液滴的定向自运输等方面，而这些表面性能可以通过改变表面润湿性得以实现。当液体与固体表面接触时，液体将在表面铺展开来并会形成固-液接触界面，该现象被称为润湿，固体表面被液体润湿的难易程度由润湿性来表示，而润湿性主要受固体表面的结构形貌和化学成分影响。金属表面的微纳结构可有效影响材料的润湿性。金属本为亲水性材料，通过表面织构的制备及表面化学修饰，可实现亲水-疏水-超疏水之间的可控调节。本文将所制备的含有表面织构的不锈钢试样浸泡于氟硅烷溶液，进行表面修饰以降低其表面能，然后利用接触角测试仪器进行表面润湿性测试，经测试发现不锈钢表面具有良好超疏水性，静态接触角不小于160°，见图2。静态接触角是表征润湿性的一个重要参数，我们一般认为静态接触角大于150°的材料具有超疏水性。

图1微纳米孔阵列的扫描电镜照片

图2静态接触角测试

        四、总结
        短脉冲激光脉冲作用时间极短，峰值能量密度极高，可实现不锈钢等金属表面织构的高效、快速、便捷、可控制备。金属表面织构的可控制备，可改变材料表面的润湿性能，在自清洁、耐腐蚀、滑移减阻、防覆冰、油水分离、液滴的定向自运输等方面具有巨大的应用前景，在一定程度上延长材料寿命，节约能耗，扩展材料应用领域。
        参考文献：
        [1]曹国凤.激光加工[M].北京:化学工业出版社,2015.
        [2]Liu S, Liu X, Latthe SS, et al. Self-cleaning transparent superhydrophobic coatings through simple sol-gel processing of fluoroalkylsilane[J]. Applied Surface Science, 2015, 351:897-903.
        [3]苑伟政,何洋,吕湘连等.一种仿秦岭箭竹叶防冰雪多层不等高微纳结构:中国,201711485958[P]. 2020.06.16
        基金项目：2019年度高校国内访问工程师校企合作项目（项目编号： FG2019074）阶段性研究成果。