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用
通過(guò)超快飛秒激光器對鋁合金表面進(jìn)行加工，制造出微觀(guān)環(huán)境下的刻槽陣列，體現出超疏水性。鋁合金水接觸角增加至155°，滑動(dòng)角減少至<5°，無(wú)任何化學(xué)改性，對材料性能無(wú)影響，表面上的水滴幾乎以完全懸浮的狀態(tài)存在。加工的材料表現出優(yōu)異的抗粘附性能和高自清潔性能，簡(jiǎn)單廉價(jià)且無(wú)化學(xué)改性方法將擴大了鋁合金的應用方面。
潤濕性是固體材料的固有特性，通常與接觸角和滑動(dòng)角有關(guān)，如果一個(gè)表面的接觸角大于150°，滑動(dòng)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、防結冰、防水、微流體減阻和防腐蝕。常規制備技術(shù)有：化學(xué)蝕刻、電沉積、流鍍、溶液浸泡、干涉光刻和高速線(xiàn)切割電火花加工。但大部分方法都受到技術(shù)復雜性和昂貴設備需求的限制。
表面檢測：
通過(guò)掃描電子顯微鏡和共焦激光掃描顯微鏡觀(guān)察鋁合金表面的形態(tài)。表面化學(xué)成分通過(guò)X射線(xiàn)光電子能譜檢測。通過(guò)靜態(tài)接觸角和滑動(dòng)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(dòng)角，水滴體積為4μL。
案例展示：
水稻葉片表面的接觸角和微觀(guān)結構如圖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構和突起組成。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構和表面粗糙度有關(guān)的知識是一致的。制備的鋁表面的微觀(guān)圖像如圖c所示。表面覆蓋著(zhù)多個(gè)凹槽結構，相鄰凹槽中心之間的距離約為48μm，每個(gè)凹槽的寬度為35–40μm。許多折疊結構也分布在表面上，因此表面粗糙度顯著(zhù)增加。單槽結構如圖d所示。從這張照片可以清楚地看出，凹槽表面覆蓋著(zhù)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(guò)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，導致表面形成路肩，周?chē)侵匦鲁练e的材料區域。由此產(chǎn)生無(wú)數波浪狀層壓結構的微觀(guān)結構，規則地排列在凹槽內壁上。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。這種粗糙結構能夠捕獲大量空氣，從而顯著(zhù)減少水滴與表面之間的實(shí)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(guān)圖像（圖f）。制備表面的3D形態(tài)呈現出均勻的凹槽，在圖中清晰可見(jiàn)。凹槽的上邊緣覆蓋著(zhù)許多錐形突起。每個(gè)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(jiàn)。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(zhù)降低，Si含量增加。這意味著(zhù)在超疏水表面上形成二氧化硅薄膜。通過(guò)激光加工制造的樣品在空氣中放置一段時(shí)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(zhù)在空氣中裸露時(shí)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)轉變?yōu)镃assie理論模型?？紤]到已知具有薄薄膜的微結構可以穩定Cassie態(tài)，預計這將增強粗糙基底的疏水性。
潤濕性：
通過(guò)測量水接觸角來(lái)確定制備表面的潤濕性。獲得的結果如圖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
顯微鏡下粗糙的結構使得水滴和固體表面之間有很大的實(shí)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(dòng)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用，表面潤濕性由親水變?yōu)槌杷?，無(wú)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(zhù)性能和潛在的自清潔性能。廣泛應用在需要自清潔、防粘附、防結冰、防水、微流體減阻和防腐蝕的場(chǎng)景。
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