一种利用超快激光制备铝合金超疏水自清洁表面的方法
【技术领域】：
[0001] 本发明属于金属基材表面改性技术领域，涉及铝合金基体上仿生超疏水自清洁表 面的制备方法，更具体地说，本发明涉及一种利用超快激光制备铝合金超疏水自清洁表面 的方法。
【背景技术】：
[0002] 在自然界中，人类目前所采用的诸多科学技术都是从大自然中获得灵感和启迪 的，超疏水表面是大自然中一种极为常见的现象。例如荷叶的表面就具有很强的疏水性和 自洁净功能。荷叶表面的疏水性对人类产生的启示主要是研宄超疏水，而自洁净则是超疏 水的结果，因此在金属材料上制备出超疏水表面得到越来越多的关注。由于超疏水表面具 有特殊的润湿特性，使其在其表面形成特殊的特性，可以达到表面自洁净及抗腐蚀的特性， 在许多方面都有广阔的应用前景。人们渴望将超疏水性能应用在工业生产中，尤其是在 铝合金基体上制备出超疏水性能的表面。通常规定，超疏水表面是指与水接触角CA大于 150°、滚动角TA小于10°的表面。当水滴在超疏水表面与水接触的滚动角小于10度时， 该超疏水表面具有自清洁功能，具有自清洁功能的表面可以在液滴滚动的过程中吸附污染 物并将其带离表面，从而达到自洁净的目的。
[0003] 近年来，超疏水性能应用范围也来越广泛，金属材料超疏水的制备，尤其是铝合金 超疏水表面的制备越来越受到人们的关注。铝合金因其具有低密度，优良的导热和导电性， 较高的强度，而成为重要的结构材料，在航空航天、汽车工业等领域中已得到广泛应用。运 用激光的方法直接改变铝合金表面性能，制备具有微纳米尺度双层结构的超疏水表面将 是一个有前途的技术研宄。金属材料的浸润性是金属表面很重要的一个特征，材料的微观 结构以及组成成分共同影响着材料表面的浸润性。在金属上制备超疏水表面的制备方法 很多，典型的方法和途径主要有：化学药水腐蚀法、电化学刻蚀+化学腐蚀法、激光刻蚀+ 化学腐蚀法等，但是这些技术普遍存在化学药水的浸泡，会产生化学污染，步骤繁琐，费时 以及制备效率低等缺点，这些缺点都限制了其实际应用。例如，申请号为201310079939. 7 的专利公开了一种铝合金仿生超疏水表面的制备方法，首先以无水乙醇清洗铝合金，然后 在铝合金表面进行激光加工，在试样表面加工出无数微尺度的弹坑状结构，再将试样浸入 化学刻蚀溶液中，使试样表面的形貌特征发生改变，但该方法未完全突破传统化学蚀刻的 表面处理工艺，采用激光加工工艺后还进一步利用了化学刻蚀，且将经过化学刻蚀后的铝 合金试样放入含有DTS的甲苯溶液中进行修饰，在其表面逐渐形成低表面能的薄膜，该处 理工艺复杂，且使用了高毒致癌物质甲苯，容易造成环境污染。为了有效地获得超疏水表 面，还需要用低表面能物质对表面进行必要的修饰，加工的效率并不高。例如，申请号为 201410657627. 4的专利公开了一种超疏水高粘附金属表面及其制备方法，通过高功率皮秒 或飞秒激光在金属表面制备类玫瑰花表面微观结构的周期性微纳米结构，再通过低自由能 物质的表面修饰，实现了超疏水高粘附金属表面的制备，该方法采用低表面能物质对表面 进行必要的修饰，加工效率低。最近也有国内外学者利用飞秒激光器一步法制备超疏水自 清洁的铂、钛、铜等表面。例如，申请号为201410788477. O的专利申请公开了一种钛合金表 面超疏水微纳结构的制备方法，先对钛合金样品分别用丙酮和无水酒精进行超声波清洗， 得到表面干净的钛合金样品；然后对表面干净的钛合金样品表面进行飞秒激光光刻加工， 一步得到具有光栅型或井型或圆形盲孔型超疏水微纳结构表面的钛合金样品；申请号为 200910183588. 8的专利公开了一种仿生金属超润湿跨尺度结构设计方法与制备方法，该方 法通过复杂的超亲水理论设计，将待处理样品置于高真空室中，分别在不同角度下进行两 次扫描，最终获得接近自然生物表面形貌的跨尺度微结构，但是该方法需严格控制各项工 艺参数，处理成本过高，完全不适合工业化大规模生产。
[0004] 综上所述，为了开发出一种工艺简单，制备效率高，适用于产业化应用，且不产生 任何环境污染，一次性实现金属基材表面超疏水性而无需经过任何化学工艺处理的方法， 是目前科研工作者亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0005] 为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种工艺简单，制备效率 高、绿色环保的铝合金超疏水自清洁表面的制备方法。本发明的方法可在各种尺寸和不同 形状铝合金材料表面获得长期稳定的、接触角大于150°、滚动角小于10°的超疏水自清 洁表面，同时制得的表面还具有出色的耐摩擦耐腐蚀性能。
[0006] 本发明的目的是通过下述技术方案实现的：一种利用超快激光制备铝合金超疏水 自清洁表面的方法，所述方法包括如下步骤：
[0007] 步骤一，将待处理的铝合金表面进行抛光预处理，得到表面抛光后的铝合金样 品；
[0008] 步骤二，将步骤一所述表面抛光后的铝合金样品放在盛有去离子水的超声波清洗 仪中清洗，然后用无水乙醇清洗，清洗干净后，将所述铝合金样品表面用冷风吹干或室温自 然晾干，得到洁净的铝合金样品；
[0009] 步骤三，利用激光加工技术，采用超快激光器调节好相关的工艺参数后对步骤二 所述得到的洁净铝合金样品表面进行激光扫描处理，在样品表面加工出无数的微结构；
[0010] 所述激光扫描米用振镜系统进行光束扫描，振镜扫描的速度为0. lmm/s-30m/s，激 光的通断及振镜系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定；
[0011] 或所述激光扫描使用运动平台系统实现，将光束固定，样品相对光束运动，平台 运动的速度为〇. lmm/s-3m/s，激光的通断、平台运动轨迹和速度均由计算机程序控制和设 定；
[0012] 步骤四，将步骤三所述得到的表面经过激光加工处理后的铝合金样品放入恒温恒 湿电热干燥箱内烘烤，即得到所述铝合金超疏水自清洁表面；
[0013] 其中，步骤三所述的超快激光器波长小于lOOOnm，所述激光加工参数为：脉宽大 于30fs，单脉冲能量小于0. lmj。
[0014] 进一步地，上述技术方案中所述的铝合金优选为2al2铝合金。
[0015] 进一步地，上述技术方案中步骤三所述超快激光器的重复频率为10kHz-200kHz， 所述脉宽为30fs-lOps。
[0016] 进一步优选地，所述超快激光器的脉宽为80fs_800fs。
[0017] 更进一步优选地，所述超快激光器的波长为800nm，脉宽为90fs-550fs。
[0018] 再进一步优选地，所述脉宽为90fs，所述单脉冲能量为20 μ J-50 μ J，所述激光扫 描速度为 60mm/s-80mm/s〇
[0019] 再进一步优选地，所述脉宽为550fs，所述单脉冲能量为20 μ J-50 μ J，所述激光 扫描速度为40mm/s-60mm/s。
[0020] 优选地，所述超快激光器的重复频率为10kHz，所述单脉冲能量为20 μ J，所述激 光扫描速度为60mm/s。
[0021] 进一步地，上述技术方案步骤四中所述电热干燥箱内的压力为普通大气压，湿度 为40% -60% RH，温度为100°C -250°c，所述样品烘烤的时间为2-8小时，所述电热干燥箱 内的温度误差为±1°C。
[0022] 更进一步优选地，所述恒温恒湿电热干燥箱内的湿度为55% RH，温度为200°C，烘 烤的时间为4小时。
[0023] 进一步地，上述技术方案中步骤一所述的抛光预处理采用功率为370W、研磨盘转 速为450转/分、研磨盘直径为230mm的金相试样预磨机，抛光预处理过程需要辅助直径为 200mm、1000目的SiC水砂纸在所述铝合金表面进行抛光处理，抛光范围是100cm 2,抛光时 间10分钟。
[0024] 进一步地，上述技术方案中步骤二所述超声清洗仪的超声频率为40kHz，所述去离 子水电阻率为18. 25兆欧，所述去离子水应将铝合金样品表面淹没，在室温下连续清洗30 分钟。
[0025] 本发明还提供了由上述方法制备得到的铝合金超疏水自清洁表面，所述表面具有 微米级或纳米级的乳突状结构。
[0026] 与现有技术相比，本发明方法具有以下优点：
[0027] (1)利用本发明方法制备得到的铝合金表面最大接触角可达167. 6°，最小滚动 角为3. Γ，因此具有非常好的超疏水性能。
[0028] (2)本发明的制备方法工艺简单，操作方便，效率高，能耗少，成本低，完全克服了 传统使用化学试剂刻蚀铝合金表面或者在激光加工完成后仍需再采用低表面能物质进一 步修饰表面的缺