利用超快飛秒激光對鋁合金材料改性制備超疏水表面的應(yīng)用
通過超快飛秒激光器對鋁合金表面進行加工，制造出微觀環(huán)境下的刻槽陣列，體現(xiàn)出超疏水性。鋁合金水接觸角增加至155°，滑動角減少至<5°，無任何化學(xué)改性，對材料性能無影響，表面上的水滴幾乎以完全懸浮的狀態(tài)存在。加工的材料表現(xiàn)出優(yōu)異的抗粘附性能和高自清潔性能，簡單廉價且無化學(xué)改性方法將擴大了鋁合金的應(yīng)用方面。
潤濕性是固體材料的固有特性，通常與接觸角和滑動角有關(guān)，如果一個表面的接觸角大于150°，滑動角小于10°，則該表面被視為超疏水表面。超疏水表面的主要用途包括：自清潔、防粘附、防結(jié)冰、防水、微流體減阻和防腐蝕。常規(guī)制備技術(shù)有：化學(xué)蝕刻、電沉積、流鍍、溶液浸泡、干涉光刻和高速線切割電火花加工。但大部分方法都受到技術(shù)復(fù)雜性和昂貴設(shè)備需求的限制。
表面檢測：
通過掃描電子顯微鏡和共焦激光掃描顯微鏡觀察鋁合金表面的形態(tài)。表面化學(xué)成分通過X射線光電子能譜檢測。通過靜態(tài)接觸角和滑動角確定表面的潤濕性，使用接觸角計在室溫下測量靜態(tài)接觸角和滑動角，水滴體積為4μL。
案例展示：
水稻葉片表面的接觸角和微觀結(jié)構(gòu)如圖a和b所示。水稻葉片表面的接觸角約為150°。從圖b可以看出，水稻葉片表面由許多均勻分布的微尺度槽型結(jié)構(gòu)和突起組成。最近鄰槽之間的距離一般在20-30μm之間，微突起的直徑約為4-20μm。微突起和槽賦予水稻葉片超疏水特性。這與疏水表面通常與幾何微結(jié)構(gòu)和表面粗糙度有關(guān)的知識是一致的。制備的鋁表面的微觀圖像如圖c所示。表面覆蓋著多個凹槽結(jié)構(gòu)，相鄰凹槽中心之間的距離約為48μm，每個凹槽的寬度為35–40μm。許多折疊結(jié)構(gòu)也分布在表面上，因此表面粗糙度顯著增加。單槽結(jié)構(gòu)如圖d所示。從這張照片可以清楚地看出，凹槽表面覆蓋著微米和亞微米大小的晶粒，晶粒直徑為0.8–5.2μm。
制備方式：
通過超快飛秒激光器光束的強大能量在合金表面上產(chǎn)生躍升高溫，導(dǎo)致表面形成路肩，周圍是重新沉積的材料區(qū)域。由此產(chǎn)生無數(shù)波浪狀層壓結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)，規(guī)則地排列在凹槽內(nèi)壁上。槽隙的高度由濺射顆粒的堆積決定，如e所示。顆粒在表面上密集分布。這種粗糙結(jié)構(gòu)能夠捕獲大量空氣，從而顯著減少水滴與表面之間的實際接觸面積，從而防止水滴潤濕固體表面。CLSM獲得了超疏水表面形態(tài)的更直觀圖像（圖f）。制備表面的3D形態(tài)呈現(xiàn)出均勻的凹槽，在圖中清晰可見。凹槽的上邊緣覆蓋著許多錐形突起。每個凹槽的深度約為20μm。
化學(xué)組成：
超親水表面和超疏水表面的XPS測量光譜如圖3所示，顯示了C、O、Si和Al的存在。在超親水表面（圖3a）的XPS光譜中，C1s在284.57 eV處和Si2p在101.7 eV處的強峰，以及在超疏水表面（圖3c）的XPS光譜中，C1s在283.86 eV處和Si2p在101.16 eV處的強峰分別可見。與初始鋁合金基體相比，激光處理使超疏水表面的C和Si含量降低，但超疏水表面的C含量顯著降低，Si含量增加。這意味著在超疏水表面上形成二氧化硅薄膜。通過激光加工制造的樣品在空氣中放置一段時間后，由于樣品與空氣之間的接觸，可以在樣品表面形成二氧化硅薄膜，并且表面能降低。隨著在空氣中裸露時間的增加，表面能不斷降低，使液滴與樣品表面的接觸狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镃assie理論模型。考慮到已知具有薄薄膜的微結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定Cassie態(tài)，預(yù)計這將增強粗糙基底的疏水性。
潤濕性：
通過測量水接觸角來確定制備表面的潤濕性。獲得的結(jié)果如圖4所示。研究了激光加工新制備表面的接觸角~0°，表示完全親水性（圖4a）。
a：CA約等于0°（新準(zhǔn)備）b：CA=155°（在空氣中儲存30天）
C：SA約等于4.7° D:放置在表面上的水滴
顯微鏡下粗糙的結(jié)構(gòu)使得水滴和固體表面之間有很大的實際接觸面積。因此，超親水表面的粗糙度增加了它們的潤濕性。我們還評估了放置在空氣中30天的樣品表面的接觸角。接觸角增加到154.5±1.5°，滑動角為4.5±1.1°。這表明充氣表面不僅具有更大的超疏水性，而且對水的粘附性更低（圖4b和c）。圖4d中的照片清楚地顯示了表面上水滴的形態(tài)，呈現(xiàn)出完美的球形狀態(tài)。
利用超快飛秒激光對鋁合金材料改性制備超疏水表面的應(yīng)用，表面潤濕性由親水變?yōu)槌杷瑹o需任何化學(xué)改性。超疏水表面排斥水滴，水滴不粘，輕輕傾斜就能輕易滑出表面。所制備的表面具有優(yōu)異的抗粘著性能和潛在的自清潔性能。廣泛應(yīng)用在需要自清潔、防粘附、防結(jié)冰、防水、微流體減阻和防腐蝕的場景。
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