[发明专利]超疏水表面的飞秒激光烧蚀-表面覆膜的复合加工方法

说明书

本发明公开了一种超疏水表面的飞秒激光烧蚀‑表面覆膜的复合加工方法，属于光电技术领域。本发明首先采用飞秒脉冲激光刻蚀基底材料样品表面，得到具有微纳阵列表面的材料样品；然后在具有微纳阵列表面的材料样品上涂覆上一层低能态疏水薄膜，得到低能态疏水薄膜‑微纳阵列结构表面复合材料，实现物理疏水和化学疏水的综合疏水性能。该方法结合了飞秒激光刻蚀技术及低能态疏水薄膜涂覆技术，具有加工精度高、稳定性强、制备快速高效等特点，可广泛应用于各种复合物表面微纳阵列的加工。

技术领域

本发明属于光电技术领域，具体涉及超疏水表面的飞秒激光烧蚀-表面覆膜的复合加工方法。

背景技术

在海洋、空、天等特种环境下，各种装备由于长期暴露在潮湿、灰尘、盐雾等恶劣环境下使用，其表面易于发生化学腐蚀和电化学腐蚀，这将大大降低装备的使用效果和有效寿命。因此，急需开展金属、复合材料涂层表面超疏水处理关键技术的研发工作，为超疏水材料大规模应用提供切实可行的方案。

据研究，自然生物具有各种各样的超疏水功能。荷叶上表面是最典型的超疏水表面，因其有自清洁功能而获得了“出淤泥而不染”的美名。1997年，德国植物学家Barthlott和Neinhuis通过对荷叶的研究，发现荷叶表面具有复合微纳二级乳突结构，这种复合微纳二级乳突结构及其表面纳米量级的蜡状晶体使得荷叶表面具有超强的疏水能力和自清洁能力。另外，还有很多仿生超疏水现象，如水黾能够站立于水面之上、水滴能够高度粘附到玫瑰花瓣表面、蚊子的复眼可以防雾、水滴落于翅膀上沿翅膀定向向外滚落等等，这些动植物逐渐演化出对抗极端条件的特殊结构表面。受自然界中各种生物疏水现象的启发，仿生制备具有超疏水功能的表面引起了研究者们的广泛关注，其在自清洁、油水分离、防污、防结冰、防腐蚀等领域均具有重要的应用前景。

更加详细的研究表明，材料表面的超疏水性是由其表面的低表面能物质和微纳粗糙结构共同决定的。因此，表面超疏水性能的实现也主要基于这两个方面进行设计和制备。目前采取的制备途径主要有喷涂法、溶胶凝胶法、自组装法、电化学刻蚀法、模板复制法、水热法等，但是上述方法在制备过程中均存在一些问题，如对基材具有选择性、制备步骤繁琐、使用化学溶剂等。另外，超疏水表面的润湿性主要由其微观结构和化学组成共同决定，所以当材料表面微观结构被损坏或低表面能涂层经外力摩擦遭到损耗时，其疏水性能将会大大减弱。因此，制备耐磨损且稳定的超疏水材料关键就在于如何能够在机械力及其他重复循环损坏后仍然使其表面保持良好的非润湿性。因此，开发一种快速制备具有稳定超疏水性能表面的方法对于实际大规模应用具有重要的意义。

近年来，由于飞秒激光技术的快速发展，飞秒激光微纳加工已被广泛应用于材料表面微纳粗糙结构的构筑。在整个激光加工过程中，其热效应小，加工精度高，能够通过无接触的加工方式直接在材料表面形成各种预先设计好的微纳结构图案。同时，由于其具有超短的脉冲宽度和超高的峰值功率，还可以对现有的大多数固体材料，如半导体、金属、陶瓷、硅片、玻璃、聚合物、生物组织等进行加工，不受加工材料限制。基于上述特点，采用飞秒激光在材料表面构筑稳定的微纳复合二元结构实现超疏水表面的制备在实际应用中具有重要的意义。

飞秒激光能够通过烧蚀熔融的方式在大多数固体材料表面直接形成微纳粗糙结构，因此，对于本征疏水性的固体材料，经飞秒激光烧蚀熔融后即可实现表面的超疏水性能；而对于本征亲水性的材料，经飞秒激光处理后，需要再次经过低表面能处理才能实现材料表面的超疏水性能。飞秒激光技术在微纳加工领域的独特优势使得其成为目前制备超疏水表面的一种有效途径。但是，该研究领域的进一步发展仍然存在以下问题：

(1)飞秒激光微纳结构的加工速度较慢，比较耗时，提高其加工效率非常重要；

(2)超疏水结构功能单一且稳定性不强，不能满足实际应用需求。

因此，探索飞秒激光微纳加工及后续表面涂覆技术，可以实现微纳阵列结构表面的物理方法疏水和低能态覆膜的化学方法疏水的结合，对于实现各种基材表面的超疏水性具有重要的意义。

发明内容