[发明专利]仿生金属超润湿跨尺度结构设计方法与制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光微加工技术领域，特指对金属表面的跨尺度结构的设计、金属表面激光 微结构制备、必要时对微结构表面进行超润湿修饰而获得金属基超润湿表面的方法。特别适 用于钢、Ti及其合金、Cu及其合金、Ni及其合金等金属的超润湿跨尺度结构设计与制备， 可用于材料表面的自清洁、液流减阻、生物相容性等方面的应用。

背景技术

超润湿表面包括超疏水表面和超亲水表面。超疏水表面是指与水的接触角大于150°滚 落角小于10°的表面，在材料表面防污、卫星天线及雷达的表面保洁、生物体表面微生物粘 附抑制、输油管内壁减阻等方面应用广泛。超亲水表面是指接触角小于5°，铺展时间小于 0.5秒，在材料表面防雾、自清洁、生物相溶性提高等方面具有重要的应用。

影响材料表面润湿性能的因素主要包括材料本身的性质和表面的形貌。根据Wenzel和 Cassie提出的微结构表面表观接触角的计算公式，光滑表面的接触角如果高与90°，增加表 面粗糙度可以增大其接触角；相反，光滑表面的接触角如果低于90°，增加表面粗糙度可以 降低其接触角，因此，在表面制备粗糙结构是制备超润湿表面的有效方法之一。已有的研究 表明，自然界中各种生物表面具有微米与纳米相结合的跨尺度结构，这种跨尺度比单一微结 构更易达到超润湿状态。表面微结构化一般被应用于无机非金属材料和聚合物材料的超润湿 表面制备。近年来，在金属材料表面制备微结构以获得超润湿金属表面的方法被采用，如电 化学沉积、无电镀置换沉积、化学腐蚀、等离子辅助热气相沉积、自然氧化、激光刻蚀等。

然而，在仿生跨尺度微结构的设计与制备方面一般存在结构设计与制备结果相脱节的现 象，设计时仅局限于较规则结构，如柱状、光栅、颗粒状等结构，这类结构易于计算接触角， 但与自然界的跨尺度结构有较大差别，如中国专利“金属基超疏水性微结构表面的激光制备 方法”(公开号CN101219506A)；而某些制备出的与自然界跨尺度微结构相似的结构往往是非 规则结构，这类结构难以几何模型化，因而难以通过假设其润湿状态、计算出其接触角、比 较计算结果与实验结果的方法来确定真正的润湿状态，如Anne-Marie Kietzig等的论文 “Patterned Superhydrophobic Metallic Surfaces”。另外，他们获得的微米级锥状结构和亚微 米级波纹结构相结合的跨尺度结构是通过一次激光面扫描形成的，一般都是波纹结构，没有 将波纹结构打断成颗粒状结构，因此与荷叶表面的微米乳突结构与纳米颗粒结构有所不同。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现仿生跨尺度超润湿功能表面结构的设计方法，并采用激光 技术制备出具有超润湿性的金属基跨尺度微结构表面。

本发明的特征在于设计的仿生跨尺度微结构的几何模型，可以用于计算接触角，并通过 比较实验结果和计算结果来确定微结构表面的真正润湿状态。

本发明实施过程如下：

(1)结构设计：设计仿荷叶表面的宏观大面积表面周期乳突结构，在微结构上构造微纳 周期结构，构成宏观-微纳跨尺度几何模型；

(2)样品准备：将金属材料磨平并抛光处理，去离子水、丙酮分别超声清洗。

(3)飞秒激光处理：将样品置于高真空室中，开启激光器，调整相关参数后进行两次表 面扫描处理。

(4)样品清理：取出处理好的样品，超声清洗，并吹干。

(5)表面超润湿功能化：如果材料为亲水材料，一般可直接获得超亲水表面；材料为疏 水材料，则可直接获得超疏水表面。对于跨尺度超亲水表面，可以对其表面进行疏水化处理 获得超疏水表面，如将样品放在真空烘箱中用低表面能材料(如硅烷)进行表面修饰以降低 表面能，可获得超疏水表面；对于跨尺度超疏水表面，则可以对其表面进行亲水化处理获得 超亲水表面，如样品表面用喷涂亲水材料的方法来或得超亲水表面。

根据经典润湿理论，增大材料表面的粗糙程度可以有效地改变其润湿效果。考虑荷叶宏 观表面的超疏水结构是由大尺度乳突结构以及其表面的小尺度颗粒结构组成的跨尺度结构， 因此，本发明在结构设计中，采用仿乳突的旋转抛物面作为大尺度结构，旋转抛物面的底部 直径d1、高H1、周期为P1，其上覆盖小尺度颗粒结构，颗粒的直径d2、周期P2。根据所设 计的几何模型，推导出该表面的表观接触角计算公式，根据公式确定合适的几何参数，以满 足理想的超润湿表面结构。