蚁穴状超疏水表面及其制备方法

本发明涉及激光加工，具体提供一种蚁穴状超疏水表面及其制备方法。

背景技术：

1、超疏水材料表面具有自清洁、抗腐蚀、减阻等功能，因而受到人们广泛关注。一般情况下，超疏水材料的制备过程是通过在材料表面制备微纳结构并涂覆低表面能有机化学物质来实现超疏水性能。尽管目前在超疏水材料制备方面已经取得了重要研究进展，但是由于其表面普遍存在机械强度低和化学稳定性差等缺点，使得其在实际应用中仍面临诸多重要挑战。

2、事实上，超疏水材料表面对接触液体的非浸润和排斥作用，在很大程度上是由于微纳结构内部空气层的存在，但是这些气囊在实际应用环境中经常是不稳定的，例如当材料处在海水浸泡、蒸汽冷凝、紫外线照射等环境中容易导致气囊体积减小甚至消失，最终使得表面由cassie–baxter状态变为wenzel状态。

3、针对这一问题研究人员通过改变表面结构形貌进一步增强气垫的防破坏能力。domingues等人，比较了简单柱形、单凹型腔以及双凹型腔结构在润湿环境下的稳定性。结果表明，水在简单柱形结构上的突破压力为0kpa，而在双凹型腔结构表面的突破压力一般大于100kpa。此外，双凹型腔结构中的空气层表现出更好的稳定性，与简单柱形结构相比延长了7个数量级以上。sun等人制备的多层双凹型腔微结构为侵入液体提供了多重能量屏障，使得最大的突破压力比单层凹型腔结构提升2~3倍。但是目前通过设计结构增强表面热力学稳定性的方法存在制备工艺较为复杂，不可避免需要进行低表面能涂层修饰且在表面气垫受到损坏后难以修复等问题。此外，超疏水表面在真实环境中总是暴露于摩擦、拉伸、弯曲以及雨水的冲刷冲击等各种外力的直接作用下，会导致表面结构发生磨损、破裂、变平和剥落，使得表面丧失液体排斥性。研究人员通过设计更为复杂的结构以提升表面的机械耐久性。例如，有研究人员设计了铠甲超疏水表面，通过循环磨损实验发现该表面较传统的超疏水表面其机械耐久性可延长10倍，但该表面要实现超疏水性能依然需要低表面能有机物进行修饰。公开日期为2022年3月26日、申请号为202210308182.3的中国专利公开了一种金属基巢穴式微结构超疏水表面及其制备方法，通过将样品浸入特殊溶液并通电反应制备巢穴结构，之后浸入肉豆蔻酸溶液通电反应降低表面能，得到金属基巢穴式微结构超疏水表面。显然，该方法在本质上是基于电化学原理，不仅工艺过程复杂而且所得巢穴式结构尺寸也为微米量级，难以获得纳米量级的制备；另外，这种巢穴结构仅是在表面开口处与蚂蚁巢穴有一定类似性，而并未在巢穴内部制备出更加有助于提升超疏水持久性能的复杂微细结构。

4、因此，亟需一种制备工艺简单、抗腐蚀性强、疏水效果好的超疏水表面及其制备方法。

技术实现思路

1、本发明为解决上述问题，提供了一种蚁穴状超疏水表面及其制备方法，主要通过超快激光在金属表面加工微米沟槽，在超快激光作用下将非晶氧化硅掺杂到微米沟槽中，并利用超快激光产生的瞬时高温高压将微米沟槽熔融分解，形成蚁穴状超疏水表面。

2、本发明提供的蚁穴状超疏水表面，采用金属表面，并在金属表面上开有微米沟槽，在金属表面和微米沟槽上分布有多个蚁穴堆，蚁穴堆构成周期性微米结构，蚁穴堆包括穴口和自上而下弯曲延伸的通道，穴口的临近位置分布有多个纳米颗粒，纳米颗粒之间形成气囊，通道由不同曲率的曲面构成。

3、优选的，微米沟槽深度为60~80μm。

4、优选的，穴口的开口尺寸为100~500nm。

5、优选的，纳米颗粒的尺寸为10~30nm。

6、优选的，蚁穴状超疏水表面为本征疏水。

7、优选的，微米沟槽呈周期分布。

8、一种蚁穴状超疏水表面的制备方法，包括以下步骤：

9、s1、采用超快激光在金属表面加工形成微米量级的第一微米沟槽，超快激光的脉冲宽度为30fs~300ps、激光功率为400mw~900mw、扫描速度为0.1mm/s~5mm/s、扫描间距为30μm~100μm；

10、s2、将含掺杂物的透光物质放置在第一微米沟槽上，利用超快激光照射含掺杂物的透光物质，掺杂物掺杂到第一微米沟槽中，超快激光产生的瞬时热量和压强将第一微米沟槽进行熔融并分解，形成蚁穴状超疏水表面。

11、优选的，第一微米沟槽的深度为30~60μm。

12、优选的，在s2中，超快激光作用于含掺杂物的透光物质与金属表面的接触界面上，超快激光将第一微米沟槽加深后形成第二微米沟槽，第二微米沟槽的深度为60~80μm。

13、优选的，金属表面采用铝合金、钛合金、不锈钢。

14、优选的，含掺杂物的透光物质采用无机玻璃、有机玻璃或氟化钙晶体。

15、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

16、本发明的超疏水表面为仿生蚁穴微纳结构，具有在空间复杂性，同时，蚁穴结构的穴口极小，并在其附近堆积有大量纳米颗粒，蚁穴结构可有效锁住其中空气层，防止水滴进入，极大提高了材料表面的超疏水性能。

17、本发明的超疏水表面采用金属材料，不仅具有高稳定的超疏水效应，同时具有优异的防腐蚀效果。

18、本发明的蚁穴设计不仅可应用于抗腐蚀和超疏水领域，还可应用于自清洁、防污染和抗覆冰等领域。

技术特征：

1.一种蚁穴状超疏水表面，其特征在于，采用金属表面，并在所述金属表面上开有微米沟槽，在所述金属表面和所述微米沟槽上分布有多个蚁穴堆，所述蚁穴堆构成周期性微米结构，所述蚁穴堆包括穴口和自上而下弯曲延伸的通道，所述穴口的临近位置分布有多个纳米颗粒，所述纳米颗粒之间形成气囊，所述通道由不同曲率的曲面构成。

2.如权利要求1所述的蚁穴状超疏水表面，其特征在于，所述微米沟槽深度为60~80μm。

3.如权利要求1所述的蚁穴状超疏水表面，其特征在于，所述穴口的开口尺寸为100~500nm。

4.如权利要求1所述的蚁穴状超疏水表面，其特征在于，所述纳米颗粒的尺寸为10~30nm。

5.如权利要求1所述的蚁穴状超疏水表面，其特征在于，蚁穴状超疏水表面为本征超疏水。

6.如权利要求1所述的蚁穴状超疏水表面，其特征在于，所述微米沟槽呈周期分布。

7.一种蚁穴状超疏水表面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.如权利要求7所述的蚁穴状超疏水表面的制备方法，其特征在于，所述第一微米沟槽的深度为30~60μm。

9.如权利要求7所述的蚁穴状超疏水表面的制备方法，其特征在于，在s2中，该超快激光作用于含掺杂物的透光物质与金属表面的接触界面上，该超快激光将所述第一微米沟槽加深后形成第二微米沟槽，所述第二微米沟槽的深度为60~80μm。

10.如权利要求7所述的蚁穴状超疏水表面的制备方法，其特征在于，所述金属表面采用铝合金、钛合金、不锈钢。

11.如权利要求7所述的蚁穴状超疏水表面的制备方法，其特征在于，含掺杂物的透光物质采用无机玻璃、有机玻璃或氟化钙晶体。

技术总结
本发明涉及激光加工技术领域，具体提供一种蚁穴状超疏水表面及其制备方法，主要通过超快激光在铝合金表面加工微米沟槽，在超快激光作用下将非晶氧化硅掺杂到微米沟槽中，并利用超快激光产生的瞬时高温高压将微米沟槽熔融分解，形成有利于材料表面气层的存在和维持的蚁穴状超疏水表面；穴口附近堆积有大量纳米颗粒，且蚁穴状超疏水表面的通道自上而下弯曲延伸，可有效锁住其中空气层，防止水滴进入，极大提高了材料表面的超疏水性能，同时，本发明的超疏水表面采用金属材料，不仅具有高稳定的超疏水效应，还具有优异的防腐蚀效果。

技术研发人员：杨建军,闫丹丹,邹婷婷,于伟利,许家沛,李林,张睿智,胡龙金
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13