飛秒激光制備仿生超疏水微納表面的方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種飛秒激光制備仿生超疏水微納表面的方法及裝置，屬于材料表面處理技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，潤濕性的直接衡量標(biāo)準(zhǔn)就是測量一種液體(通常是水)在固體表面的靜態(tài)接觸角。當(dāng)靜態(tài)接觸角大于90°，則認(rèn)為該表面為疏水性表面；當(dāng)接觸角大于150°時，則認(rèn)為該表面即為超疏水表面。自然界中的許多物種有著令人類嘆為觀止的能力和功能，比如壁虎在墻壁上行走，荷葉的超疏水和自清潔特性等，研宄表明，這些超常的能力和功能中，有很大一部分的能力和功能的產(chǎn)生原因是與表面結(jié)構(gòu)特別是有序的表面微納米結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系的，因此，只要通過制備類似的表面微納米結(jié)構(gòu)就可能實現(xiàn)材料表面上某一種或者多種功能的體現(xiàn)或者功能的極大改善。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，上述功能的實現(xiàn)是基于控制材料表面能和表面微觀結(jié)構(gòu)這兩條基本原則，其實現(xiàn)的手段主要有以下幾種:一種是直接在材料表面形成粗糙結(jié)構(gòu)的低表面能薄膜或涂層，主要是通過化學(xué)方法在材料表面形成氟碳化合物，硅樹脂以及其它的一些低表面能有機(jī)化合物；另一種是通過對基底材料表面進(jìn)行粗糙化，然后在其上進(jìn)行低表面能薄膜和涂層(通常是由氟或硅化合物組成)制備；還有一種是采用光刻或激光加工方法在基底材料表面上直接制造多級微納結(jié)構(gòu)。
[0004]具體來說，目前表面微觀結(jié)構(gòu)(表面微納米結(jié)構(gòu))的制備方法主要包括以下幾種:溶液浸泡法、電化學(xué)方法、顆粒填充法、模板法、等離子體沉積法、等離子體刻蝕、光刻、激光微加工等?？蒲腥藛T通常采用上述方法的兩種或以上的復(fù)合方法來制備表面微納米結(jié)構(gòu)。如 Sun T L 等人(Angewandte Chemie Internat1nal Edit1n, 2004，43:357-360)運(yùn)用激光刻蝕方法在硅片表面加工形成凹槽，然后利用表面引發(fā)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合技術(shù)在表面上接枝形成一層聚異丙基丙烯酞胺“分子刷”，從而獲得到“響應(yīng)溫度”的超疏水-超親水可逆“開關(guān)”表面，當(dāng)環(huán)境周圍溫度高于40°C時，接觸角大于150° ;當(dāng)環(huán)境周圍溫度低于25°C，接觸角接近 0° ο Gao N等人(Journal of B1nic Engineering, 2009，6，335-340)使用激光刻蝕技術(shù)在硅片上制造了分級的微納結(jié)構(gòu)表面，這種分級微結(jié)構(gòu)是由交互排列的微槽和較密的納米級突起組成的，采用氟硅烷修飾后，獲得了接觸角近180°的超疏水表面。Torkkeli A 等人(Transact1ns on Industry Applicat1ns, 1998, 34(4), 732-737)米用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)，在硅片表面上制備了周期性微米柱陣列，經(jīng)C4F8等離子體表面處理后，獲得了接觸角高達(dá)172°的超疏水表面。
[0005]但是，上述這些方法有的工序繁雜、有的需要真空系統(tǒng)，加工范圍小，效率低，而且對工作環(huán)境要求非常嚴(yán)格:采用電化學(xué)技術(shù)，化學(xué)腐蝕方法耗時較長，難以獲得均勻的疏水性表面；采用刻蝕技術(shù)，雖然可以實現(xiàn)三維形貌的微結(jié)構(gòu)加工，但加工區(qū)域不均勻，容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力等缺陷，從而影響產(chǎn)品的功能特性；而沉積技術(shù)雖然可以實現(xiàn)較快速的制備，但可控性極差，而且生成的結(jié)構(gòu)性能不穩(wěn)定；傳統(tǒng)的光刻技術(shù)是通過紫外光加掩膜的技術(shù)進(jìn)行表面微加工，該技術(shù)成熟度高，但設(shè)備昂貴、工序多。
[0006]而對于超疏水性表面微納米結(jié)構(gòu)的超疏水性表面，目前國內(nèi)外的制備技術(shù)主要有:化學(xué)法、機(jī)械加工技術(shù)，電子束直寫技術(shù)，刻蝕技術(shù)，化學(xué)/物理氣相沉積和激光加工等。但是化學(xué)法制備有機(jī)疏水涂層或?qū)Υ植诒砻孢M(jìn)行低表面能修飾，雖然工藝簡單、易操作，但是制備的薄膜/涂層結(jié)合力差，不耐沖擊，環(huán)境適應(yīng)性差，由于化學(xué)老化和機(jī)械破壞，容易面臨涂層變色、粉化、起泡、開裂以及疏水功能下降等失效行為。機(jī)械加工方法主要采用線切割與電火花加工技術(shù)，該技術(shù)對制備的材料具有較強(qiáng)的選擇性，而且很難制備出超疏水性表面；電子束直寫技術(shù)可以加工出納米級的微結(jié)構(gòu)，但是加工范圍小，效率低，而且對工作環(huán)境要求非常苛刻；采用刻蝕技術(shù)，雖然可以實現(xiàn)三維形貌的微結(jié)構(gòu)加工，但在加工區(qū)域容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力等缺陷，從而影響產(chǎn)品的功能特性；而沉積技術(shù)雖然可以實現(xiàn)較快速的制備，但可控性極差，而且生成的結(jié)構(gòu)性能不穩(wěn)定。激光加工是一種新興的高效、高質(zhì)量的加工手段，但是對于連續(xù)激光和脈沖寬度介于納秒到微秒之間的傳統(tǒng)激光加工而言，由于熱效應(yīng)、熔化、毛刺、裂紋和加工區(qū)域組織結(jié)構(gòu)的改變等機(jī)械缺陷的存在而使該類激光的應(yīng)用受到了嚴(yán)重的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提出一種飛秒激光制備仿生超疏水微納表面的方法及裝置，能夠克服了目前國內(nèi)外超疏水性表面微納米結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)中存在的加工范圍小，效率低，對制備的材料具有較強(qiáng)的選擇性，需要二次造型，制備的薄膜/涂層結(jié)合力差，不耐沖擊，環(huán)境適應(yīng)性差以及疏水功能下降等的問題。
[0008]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案得以實現(xiàn):
[0009]一種飛秒激光制備仿生超疏水微納表面的裝置，其特征在于:該裝置包括飛秒激光單元、光束控制單元、運(yùn)動平臺單元和自動化控制單元；
[0010]所述飛秒激光單元用于發(fā)射飛秒激光；所述光束控制單元用于控制飛秒激光的功率、光束質(zhì)量和曝光時間；所述運(yùn)動單元用于控制被光刻表面在三維方向上的移動量；
[0011]所述飛秒激光單元設(shè)置在所述光束控制單元的后方，所述光束控制單元設(shè)置在所述運(yùn)動平臺單元的上方，所述光束控制單元和所述運(yùn)動平臺單元分別與所述自動化控制單元相電連接。
[0012]上述的飛秒激光制備仿生超疏水微納表面的裝置中，所述自動化控制單元用于控制光束控制單元和運(yùn)動平臺單元的運(yùn)行，可以是單片機(jī)、工業(yè)控制計算機(jī)等。
[0013]上述的飛秒激光制備仿生超疏水微納表面的裝置中，所述運(yùn)動平臺單元為三維伺服精密移動平臺(PI，German)。
[0014]上述的飛秒激光制備仿生超疏水微納表面的裝置中，優(yōu)選的，所述飛秒激光單元包括飛秒激光器和再生放大器，所述飛秒激光器設(shè)置在所述再生放大器的后方。
[0015]上述的飛秒激光制備仿生超疏水微納表面的裝置中，飛秒激光器是飛秒激光的種子源，優(yōu)選的，所述飛秒激光器包括美國光譜物理公司的MAITI自鎖模鈦寶石激光器，但不限于此。
[0016]上述的飛秒激光制備仿生超疏水微納表面的裝置中，再生放大器用于放大飛秒激光種子源的脈沖能量和脈寬，優(yōu)選的，所述再生放大器包括美國光譜物理公司的Spitf ire再生放大器，但不限于此。
[0017]根據(jù)具體實施方案，在lkHz、5mJ的激光泵浦下，對于單個脈沖能量為1nJ,脈寬為SOfs的飛秒激光種子源，上述的再生放大器可輸出單脈沖能量500 μ J，激光輸出脈沖寬度為200fs。
[0018]上述的飛秒激光制備仿生超疏水微納表面的裝置中，優(yōu)選的，所述光束控制單元包括二分之一波片、偏振分光鏡、快門、反射鏡和非球透鏡；所述二分之一波片設(shè)置在所述飛秒激光單元的前方，所述偏振分光鏡設(shè)置在所述二分之一波片的前方，所述快門設(shè)置在所述偏振分光鏡的前方，所述反射鏡設(shè)置在所述快門的前方，所述非球透鏡設(shè)置在所述反射鏡的下方，所述快門與所述自動化控制單元相連接。
[0019]上述的飛秒激光制備仿生超疏水微納表面的裝置中，二分之一波片和偏振分光棱鏡組合來調(diào)節(jié)飛秒激光光束功率大小，快門用來控制爆光時間。所述快門可以同運(yùn)動