范围为2-9W，扫描速度150-250mm/s，其中获得亲水性的特征扫描次数小于3次。扫描中采用离焦扩大光斑直径的方法代替常用多道重叠扫描方法增加所制微结构之间的间隔距离。
[0033]依据SlOl?S104调控制造的生物陶瓷，其表面的接触角可由超亲水性10°至疏水表面125°之间的自由转换。
[0034]本发明公开的生物陶瓷表面浸润性双向自由转换的激光调控制造方法是利用短波长皮秒激光在生物陶瓷表面刻蚀符合浸润性模型(Wenzel或Cassie模型)的精细微结构，通过改变微结构的结构特征值实现浸润性的高度可控性。该技术对微结构的尺寸精度要求较高。皮秒激光具有^lO-1ls的超短脉冲，因此，能在光束注入热量扩散之前将材料以“电子态”离化形式去除，适当调整皮秒激光的工艺参数能够避免产生多余的热量，形成材料的“7令”去除。皮秒激光在较低脉冲能量的情况下，可达到非常高的峰值功率，可以实现包括硬脆性难加工材料在内的精细加工效果，达到对微结构尺寸及形貌的精确控制。此外，该技术方法在效率，时效上具有优势，且不会造成污染。
[0035]本发明具有高精确的制备可控性，针对所需的特定浸润性表面，可通过结构模型设计及激光工艺的调整精确实现材料表面接触角的可控(实现由超亲水性10°到疏水性125°之间的自由转换)；亦可实现一种材料在不同区域的具有不同浸润效果；
[0036]本发明对生物陶瓷材料表面浸润性的调控可不受面积限制，易于实现大面积材料表面浸润性的实现，该方法易操作，制造成本低，无需其他辅助材料;对生物陶瓷材料表面浸润性的调控不会破坏材料的基本物相性质，安全可靠，适用材料范围广。
[0037]下面结合附图2-5对本发明做进一步的详细描述:
[0038]所用材料为牙科领域临床常用的含有3moI % Y2O3掺杂的ZrO2陶瓷(Y-TZP陶瓷，抛光)O
[0039]实施例1:
[0040](I)、测量材料的本征接触角:将ZrO2陶瓷丙酮超声清洗I分钟，之后超纯水超声清洗4次，每次I分钟，利用0CA20型视频光学接触角测量仪测量材料的本征接触角CA为70°，如图2所示。
[0041 ] (2)、根据模拟计算获得生物陶瓷超亲水性的基本表面特征设计微结构模型，
[0042]弧形槽微结构可为陶瓷亲水性表面特征，并通过弧行槽曲率的变化改变其单位面积内固-液接触面积，达到对其亲水接触角调控的目的。弧形槽微结构的表面特征设计为H1<2(^111，槽宽&1 = 2(^111，间隔bi = 25ym。
[0043](3)、选用波长355nm，脉宽1ps的高频皮秒激光器，频率设定为200KHz，对生物陶瓷材料Y-TZP进行加工。通过工艺参数优化，设置扫描速度150mm/s，扫描次数I，功率2W，采用单道聚焦激光扫描加工方式，完成半圆形弧形槽的加工。
[0044]将加工后的ZrO2陶瓷丙酮超声清洗I分钟，之后超纯水超声清洗4次，每次I分钟，利用0CA20型视频光学接触角测量仪测量材料的本征接触角CA为12°，如图3所示;得到样品W。
[0045]实施例2:
[0046](I)测量材料的本征接触角:将ZrO2陶瓷丙酮超声清洗I分钟，之后超纯水超声清洗4次，每次I分钟，利用0CA20型视频光学接触角测量仪测量材料的本征接触角CA为70°，如图2所示。
[0047](2)根据模拟计算获得的生物陶瓷疏水性的基本表面特征设计微结构模型。设计柱状微结构为陶瓷疏水性表面特征，通过改变柱状结构的间隔和边长特征值，达到对生物陶瓷表面疏水性调控的目的。柱状微结构的表面特征设计为间隔b2 = 25ym，边长a2 = 20ym，H2 = 40umo
[0048](3)选用波长355nm，脉宽1ps的高频皮秒激光器，频率设定为200KHz，对生物陶瓷材料Y-TZP进行加工。通过工艺参数优化，设置扫描速度150mm/s，扫描次数10次，功率2W，采用单道聚焦激光扫描加工方式，完成柱状阵列结构的加工。
[0049](4)将加工后的ZrO2陶瓷丙酮超声清洗I分钟，之后超纯水超声清洗4次，每次I分钟，利用0CA20型视频光学接触角测量仪测量材料的本征接触角CA为125°，如图4所示，对样品进行拉曼检测，结果显示拉曼峰位无偏移，材料物相未发生变化，如图5所示;得到样品2# 0
[0050]以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种生物陶瓷表面浸润性双向自由调控的方法，其特征在于，包括: 步骤一、根据浸润性WenzeI模型和Cassie模型对生物陶瓷结构特征值进行理论计算，确定获得生物陶瓷亲水性或疏水性表面的基本特征； 步骤二、依据生物陶瓷亲水性或疏水性表面的基本特征设计生物陶瓷的微结构模型；所述微结构模型包括弧形槽微结构和柱状微结构，设计弧形槽微结构为陶瓷亲水性表面特征，设计柱状微结构为陶瓷疏水性表面特征； 步骤三、选择重频小于IMHz，脉宽在10-15ps的短波长皮秒激光作为激光源； 步骤四、利用激光源对弧形槽微结构和柱状微结构的表面特征进行激光调控制造。2.如权利要求1所述的生物陶瓷表面浸润性双向自由调控的方法，其特征在于，所述步骤一中，生物陶瓷亲水性或疏水性表面的基本特征包括:在单元结构深度不大于20μπι的前期下，实际固-液接触面积与表观固-液接触面积之比越大，其材料的亲水性越强；当实际固体接触面积与空气和固体的混合接触面积之比越小时，材料的疏水性则越强，且疏水性不受单元结构深度限制。3.如权利要求1所述的生物陶瓷表面浸润性双向自由调控的方法，其特征在于，所述步骤二中，弧形槽微结构的表面特征包括弧形槽深度、相邻弧形槽的间隔和弧形槽的槽宽，所述弧形槽深度Hi < 20μηι，相邻弧形槽的间隔bi > 22μηι，弧形槽的槽宽ai > 18μηι。4.如权利要求1所述的生物陶瓷表面浸润性双向自由调控的方法，其特征在于，所述步骤二中，柱状微结构由多个截面为正方形的立柱组成，柱状微结构的表面特征包括相邻立柱的间隔和立柱的正方形截面的边长，所述相邻立柱的间隔b2 2 22μπι，立柱的正方形截面的边长a2〉15μηι。5.如权利要求1所述的生物陶瓷表面浸润性双向自由调控的方法，其特征在于，所述步骤三中，激光源的波长为300-400nmo6.如权利要求1所述的生物陶瓷表面浸润性双向自由调控的方法，其特征在于，所述步骤四包括:利用激光源并采用离焦扩大光斑直径的方法对弧形槽微结构和柱状微结构进行扫描，获得步骤二中设计的弧形槽微结构和柱状微结构的表面特征。7.如权利要求6所述的生物陶瓷表面浸润性双向自由调控的方法，其特征在于，所述激光源的激光功率范围为2-9W，扫描速度为150?250mm/s。8.如权利要求6所述的生物陶瓷表面浸润性双向自由调控的方法，其特征在于，所述弧形槽微结构上获得亲水性的特征扫描次数小于3次。9.如权利要求1所述的生物陶瓷表面浸润性双向自由调控的方法，其特征在于，依据步骤一?步骤四调控制造的生物陶瓷，其表面的接触角可由超亲水性10°至疏水表面125°之间的自由转换。
【专利摘要】本发明公开了一种生物陶瓷表面浸润性双向自由调控的方法，包括：根据浸润性Wenzel模型和Cassie模型对生物陶瓷结构特征值进行理论计算，确定获得生物陶瓷亲水性或疏水性表面的基本特征；依据生物陶瓷亲水性或疏水性表面的基本特征设计生物陶瓷的微结构模型；选择重频小于1MHz，脉宽在10-15ps的短波长皮秒激光作为激光源；利用激光源对弧形槽微结构和柱状微结构的表面特征进行激光调控制造。本发明可实现生物陶瓷材料表面浸润性的双向由超亲水性10°到疏水表面125°的自由调控，同时具有高精确的制备可控性，可实现一种材料在不同区域的具有不同浸润效果；此外，该技术方法易操作，制造成本低，适用材料范围广，无需其他辅助材料。
【IPC分类】B23K26/364
【公开号】CN105665940
【申请号】CN201610046831
【发明人】季凌飞, 李健, 王文豪, 燕天阳
【申请人】北京工业大学
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2016年1月23日