專利名稱：飛秒激光制備金屬表面超疏水微結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微/納米材料制備和飛秒激光微加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及飛秒 激光制備金屬表面超疏水微/納米周期微結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)水在固體水平表面上時(shí)，水滴會(huì)自然鋪展或者鋪展到一定的角度而達(dá) 到平衡，這個(gè)平衡角度是由固-液、液-氣、固-氣界面張力之間的平衡決定的， 通常稱之為平衡接觸角(^。 e的大小通常可以衡量該固體表面的浸潤性。當(dāng) 0<90°時(shí)，稱之為親水表面；當(dāng)^>90°時(shí)，稱之為疏水表面；當(dāng)&150。時(shí)，為超疏 水表面。固體表面的這種浸潤性是固體表面的重要性質(zhì)之一,它是由表面的化 學(xué)成分和微觀幾何結(jié)構(gòu)共同決定的。
由于超疏水表面與水滴的接觸面積非常小，且水滴極易從表面滾落，因 此，超疏水表面不僅具有自清潔功能，而且還具有放電流傳導(dǎo)、防腐蝕、防 水、防霧、防霉、防雪、防霜凍、防黏附、防污染等功能，因此在建筑、服 裝紡織、液體輸送、生物醫(yī)學(xué)、日用品與包裝、交通運(yùn)輸工具以及微量分析 等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。此外，在衛(wèi)星天線、雷達(dá)的保潔表面，潛艇水 體的減阻材料，以及石油化工領(lǐng)域內(nèi)管壁修飾等具有非常高的應(yīng)用價(jià)值。在 制冷領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用前景，可以應(yīng)用于研究空調(diào)的冷凝水問題、空調(diào) 的結(jié)霜問題、系統(tǒng)的傳熱和換熱問題、延長壓縮機(jī)的使用壽命等，從而進(jìn)一步降低制冷系統(tǒng)的能耗。
制備超疏水表面可以從兩個(gè)方面入手 一方面是在低表面能的疏水材料 表面上構(gòu)建微/納米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)；另一方面是用低表面能物質(zhì)在微/納米級(jí)粗 糙結(jié)構(gòu)上進(jìn)行修飾處理。然而，在光滑表面上僅通過改變表面能，通常只能 使接觸角最大增加到120。，而具有微細(xì)粗糙結(jié)構(gòu)的表面的接觸角則可超過 150°。所以現(xiàn)在人們研究的重點(diǎn)多集中在如何在表面構(gòu)造合適的微/納米級(jí)粗 糙結(jié)構(gòu)上。
目前，有很多種制備粗糙表面的方法，例如溶膠凝膠法，氣相沉積法， 電化學(xué)方法，納米管陣列法，及其他方法。但是，這些方法大都需要特殊的 設(shè)備，或是需要復(fù)雜的制造工藝，且制備出微/納米結(jié)構(gòu)的均勻性較差、周期 難以調(diào)控、制備時(shí)間長、成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種飛秒激光制備金屬表面 超疏水微結(jié)構(gòu)的方法，可在金屬材料表面通過飛秒激光誘導(dǎo)作用制備出接觸
角從150°-175°的超疏水表面。該方法操作過程簡單，原材料消耗少，成本低
廉，制備效率高，制備出的金屬微/納米微結(jié)構(gòu)均勻性好，裝置可操控性強(qiáng)， 適用范圍廣，可用于大規(guī)模的表面制備，并可以制備出不同尺寸和圖案結(jié)構(gòu) 的超疏水表面。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是 本發(fā)明將一束飛秒激光經(jīng)物鏡或透鏡聚焦輻照在金屬靶材上，產(chǎn)生周期 性微/納米微結(jié)構(gòu)，具體步驟如下
選用脈沖寬度為20-300fs、波長325-1200nm的超短脈沖激光，經(jīng)一物鏡或透鏡聚焦到放置在二維精密位移臺(tái)的金屬靶材上，超短脈沖激光單脈沖能
量10uJ-5mJ、脈沖頻率10Hz-100kHz和脈沖寬度20-300fs，即在金屬靶材 上呈現(xiàn)出周期性微/納米微結(jié)構(gòu)。
所說的金屬靶材為銅、鋁、鋼、鋁合金、氧化銅、鋅、氧化鎢或鈦材料。
所說的金屬靶材厚度為500Pm-10cm。
所說的周期性微/納米微結(jié)構(gòu)周期為50 nm -50 u m。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
(1) 本發(fā)明利用飛秒激光脈沖直接誘導(dǎo)微/納米微結(jié)構(gòu)，工藝簡單、原材 料消耗少，成本低廉，制備效率高，制備出的金屬微/納米微結(jié)構(gòu)超疏水表面 均勻性好，裝置可操控性強(qiáng)，適用范圍廣。
(2) 本發(fā)明利用計(jì)算機(jī)精密控制二維位移臺(tái)移動(dòng)金屬材料，并利用飛秒 激光經(jīng)物鏡或透鏡聚焦在靶材表面進(jìn)行處理，可實(shí)現(xiàn)大面積金屬微/納米微結(jié) 構(gòu)超疏水表面的制備。
(3) 本發(fā)明可誘導(dǎo)產(chǎn)生周期為50nm-50pm，接觸角為150。-175。不同尺度
和圖案金屬微/納米微結(jié)構(gòu)超疏水表面，可以滿足在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的日常
生活中的應(yīng)用。


圖l為本發(fā)明800nm飛秒激光在金屬靶材上制備周期性微/納米微結(jié)構(gòu)的 方法的示意圖。
圖2為本發(fā)明400nm飛秒激光在金屬靶材上制備周期性微/納米微結(jié)構(gòu)的 方法的示意圖。
圖3為本發(fā)明325nm飛秒激光在金屬靶材上制備周期性微/納米微結(jié)構(gòu)的方法的示意圖。
圖4 (a)和(b)為實(shí)施實(shí)例l中脈沖寬度30fs的飛秒激光誘導(dǎo)不銹鋼靶 材制備的大面積的周期為230nm微結(jié)構(gòu)超疏水表面。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
具體實(shí)施例方式
該裝置由激光加載系統(tǒng)和靶材裝夾系統(tǒng)依次連接構(gòu)成，激光加載系統(tǒng)由 飛秒激光器和光開關(guān)、反射鏡和物鏡或透鏡組成，由飛秒激光器輸出的飛秒 激光束經(jīng)過光開關(guān)、反射鏡和物鏡或透鏡聚焦到靶材裝夾系統(tǒng)。
在光開關(guān)、反射鏡之間依次設(shè)置倍頻晶體、濾光片。
在飛秒激光器和光開關(guān)之間設(shè)置光學(xué)參量放大器。
參照?qǐng)D1所示，由飛秒激光器l發(fā)出的飛秒激光，脈沖寬度為30fs，波長 為800nm，脈沖頻率為lkHz，脈沖能量為lmJ的激光束，通過光開關(guān)2、反射 鏡3，和5X(N.A:0.15)聚焦物鏡4將光束聚焦在金屬靶材5上，金屬靶材5固定 在二維精密位移臺(tái)6上，金屬靶材的運(yùn)動(dòng)由計(jì)算機(jī)7控制二維精密位移臺(tái)6完 成。飛秒激光聚焦光斑直徑約為5um。這樣在激光輻照區(qū)通過飛秒激光的光 誘導(dǎo)作用逐步形成了周期微/納米結(jié)構(gòu)。
參照?qǐng)D2所示，由飛秒激光器l發(fā)出的飛秒激光，脈沖寬度為30fs，波長 為800nm，脈沖頻率為lkHz，脈沖能量為lmJ的激光束，通過光開關(guān)2、倍頻 晶體8后轉(zhuǎn)換為脈沖寬度為50fs,波長為400nm，脈沖頻率為lkHz，脈沖能量 為300u J的400nm的飛秒激光，再通過濾光片9、反射鏡3，和20X(N.A^.45) 聚焦物鏡4將400nm飛秒激光光束聚焦在金屬靶材5上，金屬靶材固定在二維 精密位移臺(tái)6上，金屬靶材的運(yùn)動(dòng)由計(jì)算機(jī)7控制二維精密位移臺(tái)完成。飛秒激光聚焦光斑直徑約為l wm。這樣在激光輻照區(qū)逐步形成了周期微/納米結(jié)構(gòu)。
參照?qǐng)D3所示，由飛秒激光器l發(fā)出的飛秒激光，脈沖寬度為30fs，波長為800nm，脈沖頻率為lkHz，脈沖能量為lmJ的激光束，通過光學(xué)參量放大器10后轉(zhuǎn)換為脈沖寬度為30fs，波長為325nm，脈沖頻率為lkHz，脈沖能量為100n J的325nm的飛秒激光，通過光開關(guān)2、反射鏡3，和(f-5mm)聚焦透鏡11將光束聚焦在金屬靶材5上，金屬靶材的運(yùn)動(dòng)由計(jì)算機(jī)7控制二維精密位移臺(tái)6完成。飛秒激光聚焦光斑直徑約為20"m。這樣在激光輻照區(qū)逐步形成了周期微/納米結(jié)構(gòu)。
圖4 (a)給出實(shí)例l中利用掃描電鏡(5000x/20kV)觀測到的飛秒激光誘導(dǎo)不銹鋼表面生成的大面積微/納米周期微結(jié)構(gòu)。圖4 (b)是圖4 (a)的局部放大圖像，從圖中可以看出微湖米為結(jié)構(gòu)的周期為230nm。
實(shí)施例l:
鈦寶石飛秒激光器發(fā)出的飛秒激光，脈沖寬度為30fs，波長為800nm，脈沖頻率為lkHz，脈沖能量為lmJ的激光束，通過5X(RA:0.15)聚焦物鏡將光束聚集在不銹鋼靶材上，樣品由計(jì)算機(jī)7操控的二維移動(dòng)平臺(tái)控制，聚焦光斑直徑約為100um。這樣在激光輻照區(qū)域逐漸形成周期微/納米結(jié)構(gòu)。用掃描電鏡(5000x/20kV)聚焦到不銹鋼樣品的激光誘導(dǎo)區(qū)，觀察到金屬微/納米微結(jié)構(gòu)陣列如圖4所示，周期約為230nm。
實(shí)施例2:
選用脈沖寬度為50fs，波長為400nm，脈沖頻率為lkHz，脈沖能量為IOOUJ的激光束，通過20X(N.A-0.45)聚焦物鏡將光束聚集在銅靶材上，樣品由計(jì)算機(jī)操控的二維移動(dòng)平臺(tái)控制，聚焦光斑直徑約為lum。這樣在激光輻照
區(qū)域逐漸形成周期微/納米結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例3:
選用脈沖寬度為40fs，波長為325nm，脈沖頻率為lkHz，脈沖能量為IOOlU的激光束，通過(f-5mm)聚焦透鏡將光束聚集在鋁靶材上，樣品由計(jì)算機(jī)操控的二維移動(dòng)平臺(tái)控制，聚焦光斑直徑約為20iim。這樣在激光輻照區(qū)域逐漸形成周期微/納米結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例4:
選用脈沖寬度為120fs，波長為500nm，脈沖頻率為10kHz，脈沖能量為200"J的激光束，通過50X(KA^0. 5)聚焦物鏡將光束聚集在鋁合金耙材上，樣品由計(jì)算機(jī)操控的二維移動(dòng)平臺(tái)控制，聚焦光斑直徑約為lum。這樣在激光輻照區(qū)域逐漸形成周期微/納米結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1、一種飛秒激光制備金屬表面超疏水微結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，將一束飛秒激光經(jīng)物鏡或透鏡聚焦輻照在金屬靶材上，產(chǎn)生周期性微/納米微結(jié)構(gòu)，具體步驟如下選用脈沖寬度為20-300fs、波長325-1200nm的超短脈沖激光，經(jīng)一物鏡或透鏡聚焦到放置在二維精密位移臺(tái)的金屬靶材上，超短脈沖激光單脈沖能量10μJ-5mJ、脈沖頻率10Hz-100kHz，即在金屬靶材上呈現(xiàn)出周期性微/納米微結(jié)構(gòu)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒激光制備金屬表面超疏水微結(jié)構(gòu)的方法， 其特征在于，所說的金屬靶材為銅、鋁、鋼、鋁合金、氧化銅、鋅、氧化鎢 或鈦材料。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒激光制備金屬表面超疏水微結(jié)構(gòu)的方法， 其特征在于，所說的金屬靶材厚度為500um-10cm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒激光制備金屬表面超疏水微結(jié)構(gòu)的方法， 其特征在于，所說的周期性微/納米微結(jié)構(gòu)周期為50nm-50lim。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種飛秒激光制備金屬表面超疏水微結(jié)構(gòu)的方法，該方法利用飛秒激光輻射場在金屬靶材表面上制備超疏水周期性微/納米結(jié)構(gòu)。金屬表面周期性微/納米結(jié)構(gòu)制備時(shí)先將金屬靶材固定在二維精密位移臺(tái)上，然后將一束飛秒激光經(jīng)物鏡或透鏡聚焦，并使之作用于金屬靶材上，通過飛秒激光誘導(dǎo)結(jié)合二維精密位移臺(tái)移動(dòng)，產(chǎn)生微/納米周期性微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明具有制備效率高，適用范圍廣，裝置可操控性強(qiáng)，處理得到的周期性金屬納米結(jié)構(gòu)排列整齊、均勻，并可以制備出不同尺寸和圖案微/納米周期性結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)B82B3/00GK101531335SQ20091002192
公開日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2009年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月8日
發(fā)明者洵 侯, 司金海, 張東石, 青 楊, 烽 陳 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)