技术报道—飞秒激光复合稀土纳米修饰制备耐用超疏水表面

技术背景

超疏水表面由于其独特的疏水性能以及表面功能特性如粘附性调节等在对流传热、流体减阻、耐腐蚀增强等方面表现出显著的潜在价值,被广泛应用于航天航海、细胞工程以及化工能源等领域。

目前,基于材料特性进行制备超疏水表面的方法已经被广泛研究,总体来讲,可以被分为涂覆沉积法、刻蚀法和模板法。

其中,基于涂覆沉积原理下的制备方法如粉末喷涂法、相沉积法、电化学沉积法等超疏水涂层制备策略存在容易在涂覆沉积表面产生裂纹和气泡等损伤造成其本征力学性能下降且涂层和基底界面间的结合力往往不足而容易失效脱落等技术缺陷;

相应地,作为刻蚀法中常用的化学刻蚀调制策略使得基底表面粗糙度改善的微/纳结构多为随机杂散的、难以针对表面耐用性和稳定性等技术性缺陷进行结构可程序化本征设计而导致其在本征综合力学性能等耐用性方面存在先天缺陷,并且不适用于陶瓷等稳定性很强或金刚石等硬度过大的材料而使得其应用受限;

同时基于模板法的超疏水表面制备虽然能够实现微结构的可程序化设计,有助于从结构化表面本身弥补一定的耐用性损失,但其存在母板上的结构由于基底与母板贴合不紧密而造成结构不能完全复制等以至于基底表面本身存在内应力集中等缺陷而影响其耐用性和稳定性。

基于上述方法中所存在的不同程度上耐用性和稳定性不足等问题,会使得超疏水表面在受到外部激励如一定动载荷下的摩擦磨损等时造成表面粗糙度改善结构或低表面能物性修饰层遭到破坏,最终导致表面超疏水特性损失或彻底丧失,使其转向实际应用和工业化、产业化大规模生产制造受到限制。此外,上述方法还存在调控制备效率低下、污染环境以及工序复杂等超疏水表面制备劣势,使其大规模应用于工程技术难题解决的进程也受到阻碍。

技术方案

为了克服上述现有技术的缺陷,本发明的目的在于提供一种飞秒激光复合稀土纳米修饰制备耐用超疏水表面的方法,能够在充分发挥飞秒激光在微纳复合结构化表面制备的高灵活性、可重复性、高的适用性、极高的分辨率以及可以对结构进行可程序化设计与制造等优势的同时,结合结构的仿生设计与稀土金属氧化物本征疏水、化学性质稳定和耐磨性强等特性,来实现具有良好机械耐用性即耐磨损性能和耐摩擦性能的稳定、耐用超疏水表面的绿色、高效、可控性良好地调控与制备,这将对超疏水表面转向实际工业化、产业化大规模应用有着显著优势。稀土金属氧化物纳米物性修饰是通过磁控溅射实现的。

技术报道---飞秒激光复合稀土纳米修饰制备耐用超疏水表面

上图为经抛光处理下的材料基底、经飞秒激光织构化处理的样品基底以及经飞秒激光织构化-氧化铈纳米物性修饰和温控时效处理所获得的微纳复合结构化表面微观形貌SEM图。

图a1)~a4)为放大倍率依次为90、220、400和1.20k时仅经抛光处理下的材料基底微观形貌SEM;图b1)~b4)为放大倍率依次为1.50k、2.50k、4.50k和10.00k时经飞秒激光织构化处理的互连拓扑微纳复合结构化表面微观形貌SEM;图c1)~c4)为放大倍率依次为1.30k、2.50k、4.50k和10.00k时经飞秒激光织构化-氧化铈纳米物性修饰50nm膜厚-温控时效处理综合调控时的互连拓扑微纳复合结构化表面微观形貌SEM;图d1)~d4)为放大倍率依次为1.30k、2.50k、4.50k和10.00k时经飞秒激光织构化-氧化铈纳米物性修饰70nm膜厚-温控时效处理综合调控时的互连拓扑微纳复合结构化表面微观形貌SEM;图e1)~e4)为放大倍率依次为1.30k、2.50k、4.50k和10.00k时经飞秒激光织构化-氧化铈纳米物性修饰90nm膜厚-温控时效处理综合调控时的互连拓扑微纳复合结构化表面微观形貌SEM。

下图为本发明实施例1进行耐用性超疏水表面制备过程中材料基底浸润性转变以及基于传统氟化沉积C4 F8 的浸润性结果示意图。

a)为仅抛光2024铝合金基底的本征静态接触角;

b)为仅经飞秒激光织构化所获得的互连拓扑微纳复合结构化表面静态接触角;

c)为经飞秒激光织构化和传统氟化沉积C4 F8 所获得的互连拓扑微纳复合结构化表面静态接触角;

d)为经飞秒激光织构化-氧化铈纳米物性修饰50nm膜厚时的互连拓扑微纳复合结构化表面静态接触角;

e)为飞秒激光织构化-氧化铈纳米物性修饰70nm膜厚时的互连拓扑微纳复合结构化表面静态接触角;

f)为飞秒激光织构化-氧化铈纳米物性修饰90nm膜厚时的互连拓扑微纳复合结构化表面静态接触角;

g)为飞秒激光织构化-氧化铈纳米物性修饰50nm膜厚-110℃、5.5h温控时效处理调控时的互连拓扑微纳复合结构化表面静态接触角;

h)为飞秒激光织构化-氧化铈纳米物性修饰70nm膜厚-110℃、5.5h温控时效处理调控时的互连拓扑微纳复合结构化表面静态接触角;

i)为飞秒激光织构化-氧化铈纳米物性修饰90nm膜厚-110℃、5.5h温控时效处理调控时的互连拓扑微纳复合结构化表面静态接触角。

技术报道---飞秒激光复合稀土纳米修饰制备耐用超疏水表面

信息来源:CN115008018A

技术发明人:个人简介 - 王 文君 - 教师个人主页 (xjtu.edu.cn)

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