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基于激光精密刻蚀制备可调控润湿性表面基础研究

基于激光精密刻蚀制备可调控润湿性表面基础研究

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作者：何安温州大学

学位级别：硕士

润湿性是固体表面的重要性质之一,固体表面的润湿性由其表面粗糙度和表面自由能共同决定,通过改变固体表面的微观结构和化学成分可以实现对固体表面润湿性的人工智能控制。受荷叶效应和花瓣效应的启发,研究人员利用各种各样的技术方法... 详细信息

润湿性是固体表面的重要性质之一,固体表面的润湿性由其表面粗糙度和表面自由能共同决定,通过改变固体表面的微观结构和化学成分可以实现对固体表面润湿性的人工智能控制。受荷叶效应和花瓣效应的启发,研究人员利用各种各样的技术方法在不同的基体材料上成功地制备出了仿生超疏水/超亲水表面。激光作为一种精密微细加工工具,已广泛用于金属表面微纳米粗糙结构的构建。本文采用激光刻蚀方法在金属表面构筑微纳米粗糙结构,再结合化学处理方法降低材料表面能,制备出可调控润湿性表面。主要研究结果如下:1、从分析Wenzel与Cassie润湿状态的差异和转换理论入手,提出了基于激光刻蚀制备可调控润湿性表面的时空设计方法。设计了一种基于润湿性时空调控的微纳自组装结构,并分析了其制备工艺步骤,通过调控温度,经激光刻蚀表面改性区域的润湿性可以在超亲水和超疏水之间相互转换。这种可调润湿性表面在智能微流体切换、燃料电池、相变传热等领域具有重要的应用前景。2、采用激光刻蚀与乙醇辅助快速低温退火相结合的方法,在紫铜上制备出超疏水表面,最大接触角可以达到161°。制备的超疏水铜表面经过超声波震动和清洗后,其超疏水性能消失,但是再次通过乙醇辅助快速低温退火,可以重新获得超疏水表面,从而实现超疏水性的可再生性。采用自主搭建的基于等价惯性力的粘附力测量系统,表征了不同激光扫描间距调控超疏水表面高粘附力的能力,并且通过实例展示了这种具有可调高粘附力的超疏水表面在微滴运输方面的应用潜力。3、采用皮秒激光刻蚀方法,在纯钛表面构筑周期性结构和微纳米分级结构,再用低表面能试剂修饰,降低样品表面能,制备了低粘附力的超疏水(Low adhesion superhydrophobic,LASH)表面,最大接触角达到162.3°,滚动角仅为2°。含有纳米粒子的微滴在LASH钛表面上蒸发后,纳米粒子的沉积面积比在原始钛表面小265.56倍。再次采用皮秒激光按照设计好的各种图案在LASH表面进行刻蚀,去除低表面能涂层,得到了图形化的超亲水/疏水复合结构,通过改变刻蚀图案可以实现对纳米粒子沉积的形状和尺寸的调控。极端润湿性表面(超亲水、超疏水、亲/疏水复合结构)在仿生工程领域、微流体、自组装、生物医学等领域都具有非常重要的应用前景。本文的研究成果展示了基于激光精密刻蚀技术制备可调控润湿性表面的潜力和优势,为未来的工程应用提供了共性技术基础。

关键词：激光刻蚀超疏水可调控润湿性纳米颗粒沉积

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