[发明专利]纳秒激光辐照诱导非晶碳表面形成微纳米多层结构的方法

说明书

本发明涉及一种纳秒激光辐照诱导非晶碳表面形成微纳米多层结构的方法，属于激光表面改性技术领域。该方法为：将抛光后的非晶碳样品使用无水乙醇进行超声清洗；将纳秒光纤激光器产生的激光由振镜系统进行光路转换与聚焦，之后垂直入射在非晶碳样品表面；控制激光脉冲的辐照时间和能量密度，利用激光的材料去除作用与光的干涉作用在非晶碳表面制备微纳米多层结构。所述的微纳米多层结构包括微米级类酒窝状结构和纳米级同心环状结构。本发明提供的方法简单、高效，形成的表面微结构规整且层次分明，为高效、大面积制备非晶碳表面微纳米多层结构提供了可行方法，在模具成型、表面润湿性、光学特性以及催化特性调节等领域有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及激光表面改性技术领域，特别涉及一种纳秒激光辐照诱导非晶碳表面形成微纳米多层结构的方法。本发明可应用于模具成型、表面湿润性、光学特性以及催化特性调节等领域实现微/纳米多层结构加工。

背景技术

非晶碳是一种由SP2杂化原子组成的非晶结构，具有各向同性的物理化学性能，与此同时它也具有炭材料共有的特性，如良好的热稳定性、耐磨性、化学惰性等。此外，非晶碳还具有优良的力学性能如较高的硬度和杨氏模量等。由于这些特性，非晶碳被广泛用作精密玻璃仪器和金属的热压成型模具材料。目前，用于非晶碳的加工方法有等离子反应刻蚀、聚焦离子束铣削、聚合物成型碳化、激光微铣削等。通过上述几种加工方法虽然已成功制备出微纳米级别的非晶碳模具，但上述方法制备过程比较繁琐，形成的结构比较简单一，难以实现微纳米复合结构的加工。例如，Karin Prater在2016年《Optical Materials Express》第6卷3407-3416（Micro-structuring of glassy carbon for precision glass moldingof binary diffractive optical elements）提出的非晶碳模具制备方法中，虽然可以制备一些简单的结构，但无法制备多层复合结构。大量已有研究结果表明，相比于单一表面结构，微纳米多层结构更容易赋予材料表面特殊的性能，比如提高材料表面的疏水性、增强表面的光学吸收性能、提高表面催化性能等。例如，D. Venkata Krishnan 在2019年《International Journal of Heat and Mass Transfer》第140卷886-896（Wettingtransition in laser-fabricated hierarchical surface structures and its impacton condensation heat transfer characteristics）中提到了多层表面结构可以用于增强材料表面超疏水性能的特性。然而，在不同的材料表面加工微纳米多层结构仍然是一个困难而又关键的课题，尤其是针对非晶碳这种典型的难加工材料，亟待发展新的表面微纳米多层结构加工方法。

激光加工是一种适用性广、环保、灵活的加工方式，近些年来，飞秒或皮秒激光被广泛应用于各种材料表面微纳米复合结构的创成。例如，Chenbin Ma在2019年《Journal ofBionic Engineering》第16卷806-813（Fabrication of regular hierarchicalstructures with superhydrophobic and high adhesion performances on a 304stainless steel surface via picosecond laser）使用皮秒激光在304不锈钢表面制备了微纳米多层结构，改善了表面的疏水性和粘附特性。然而，飞秒或皮秒激光加工成本较高，效率较低。相比于飞秒或皮秒激光加工，纳秒激光加工具有成本低、高效等显著优势，更适合大规模工业应用。因此，基于纳秒激光加工，发展非晶碳表面微纳米多层结构制备新方法是迫切需要的，也具有重要的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳秒激光辐照诱导非晶碳表面形成微纳米多层结构的方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明为非晶碳表面制备微纳米多层结构提供了一种可行方法，通过控制激光参数，可制备单点和多点阵列等不同结构，在模具成型、表面润湿性、光学特性以及催化特性调控等领域有广泛的应用前景。