氧化锆陶瓷以其优异的力学性能和生物相容性被广泛用作牙科修复材料。通过表面改性工艺调控氧化锆陶瓷的表面润湿性，可以进一步拓展其在不同领域的应用。基于此，笔者提出了一种高效、低成本的激光加工+硅油修饰+热处理复合工艺，并采用该工艺制备了超疏水氧化锆陶瓷表面。首先通过纳秒激光加工在氧化锆陶瓷表面诱导出周期性多级微纳结构，而后利用硅油异丙醇混合溶液（硅油体积分数为0.4%）修饰+低温热处理来降低激光处理后氧化锆陶瓷的表面能，制备出了表面接触角高达153.8°具有超疏水特性的氧化锆陶瓷。加工前的氧化锆陶瓷的接触角为80.4°±2.1°，展现出亲水性；经纳秒激光加工后，液滴完全浸润表面，接触角变为0°，表面转变为超亲水表面。采用硅油异丙醇混合溶液修饰+低温热处理工艺实现了表面超亲水特性向超疏水特性的转变。超疏水氧化锆陶瓷在空气环境和胶带剥离实验中分别保持了优秀的稳定性和耐久性。通过改变激光的扫描速度及扫描间距可以精准调控液滴在材料表面的润湿性和黏附性。所提方法相较于传统激光加工方法提高了制备效率，降低了生产成本，有望扩展超疏水氧化锆陶瓷在医疗领域的应用。
激光技术 氧化锆陶瓷 超疏水表面 激光加工 微纳结构 表面化学 黏附性 中国激光
2023, 50(16): 1602210
1 长春理工大学机电工程学院，吉林 长春 130022
2 陆军装甲兵学院士官学校基础部，吉林 长春 130117
受自然界素饰蛱蝶翅膀鳞片表面结构的启发，本研究团队建立仿生结构模型，利用激光烧蚀技术在粗化铝合金表面构建了一种具有超疏水、低黏附、自清洁性能的仿生网格状多级结构。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、光学接触角测量仪和高速成像等设备对材料表面进行了表征分析，结果表明：喷砂粗化结合激光烧蚀可以形成类蛱蝶鳞片网格状多级结构，该结构具有复杂的形态和复合尺度特征，其表面具有超疏水性能，静态接触角可达到162.6°，滚动角小于5°；液滴弹跳试验和自清洁性能试验结果表明，该仿生结构表面具有良好的低黏附力和自清洁性能，在脱附、减阻、自清洁等领域具有一定的应用潜力。
激光技术 微观结构制造 超疏水表面 自清洁 低黏附 仿生结构 中国激光
2022, 49(16): 1602009
1 天津大学机械工程学院，天津 300072
2 天津大学机械工程学院机构理论与装备设计教育部重点实验室，天津 300072
微夹持器是微操作系统的重要组成部分。作为微操作系统末端执行器，微夹持器钳口端面在工作过程中容易出现磨损、吸附杂质、结冰或结霜等问题，而且目前微夹持器大多是一体化加工而成，整体更换将造成资源浪费。本文设计了一种可拆卸式微夹持器，利用中心波长为1064 nm的纳秒激光器，在执行操作的钳口端面上加工出粗糙的微纳结构，使用无毒害的硬脂酸溶液浸泡改性，获得仿生超疏水表面。通过电化学实验，测试了仿生超疏水表面在酸、盐和碱环境中的耐腐蚀性能，通过自清洁、抗结冰和抗菌实验测试了该表面的防污、防冻和防菌性能。实验结果表明：仿生超疏水表面能够有效抵抗酸、盐和碱环境中的腐蚀，具有良好的防腐性能；有效防止灰尘、水滴和细菌等杂质粘附于钳口端面，保证钳口端面的清洁与卫生；在低温环境中，有效防止端面结霜或结冰，使微夹持器能够在恶劣环境中正常工作。
激光技术 表面加工 仿生超疏水表面 微夹持器 耐腐蚀 自清洁 抗结冰 抗菌 中国激光
2022, 49(10): 1002602
1 湖北工业大学机械工程学院，湖北 武汉 430068
2 湖北工业大学材料与化学工程学院，湖北 武汉 430068
3 上海市激光技术研究所上海市激光束精细加工重点实验室，上海 200233
由于长期暴露在阳光、雨水、高低温等自然环境下，硅橡胶复合绝缘子的使用性能和工作寿命会下降，严重威胁了输电线路的安全稳定运行。因此，提高硅橡胶的耐老化性对于加强户外硅橡胶复合绝缘子的可靠性和延长使用寿命具有重要意义。飞秒脉冲激光能够在硅橡胶表面制备出稳定的超疏水状态，为了进一步研究该表面的耐老化性能，使用氙灯老化试验箱对样品进行700 h的加速老化实验。结果表明，超疏水表面的接触角从163°下降到150°左右，表明超疏水硅橡胶具有优异的耐老化性能。检测结果表明硅橡胶表面在老化过程中所产生的亲水性羟基是导致其表面疏水性下降的主要原因。进一步采用一种简单有效的热处理方法使其疏水性快速得到恢复。在200 ℃的加热环境中可以使老化后的样品表面接触角从150°恢复到163°左右，同时表面滚动角恢复到3°左右。该研究结果为增强硅橡胶在工作环境中的使用性能提供了理论指导，并在延长硅橡胶的使用寿命方面提供了一种新的手段。
激光技术 飞秒脉冲激光 硅橡胶 超疏水表面 老化特征 热处理 中国激光
2022, 49(10): 1002606
1 三峡大学水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443002
2 三峡大学机械与动力学院，湖北 宜昌 443002
制备超疏水表面是一种新型的抗冰方法。为提高硅橡胶复合绝缘子表面的抗冰性能，采用D80M多功能激光雕刻机进行加工，得到不同类型、不同尺寸参数的复合织构绝缘子伞裙表面。通过测试不同织构表面绝缘子的接触角，得到疏水性能最佳的表面织构类型及尺寸参数。同时，以延缓水滴在试样表面发生结冰的时间为评价标准，利用可程式恒温恒湿试验机设定环境温度为－10 ℃，测试水滴在不同织构化试样表面的凝结时间。结果表明：表面织构化明显提升了复合绝缘子伞裙表面的疏水性，使其达到超疏水性；尺寸和间距均为350 μm的正方形＋圆形织构的疏水性和抗覆冰性能最优，且抗冰耐久性良好。
中国激光
2022, 49(10): 1002603
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of High Field Laser Physics and CAS Center for Excellence in Ultra-intense Laser Science, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 MOE Key Laboratory of Advanced Micro-Structured Materials, School of Physics Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China
“Lotus effect” glass surfaces with fluorinated ethylene propylene were successfully fabricated by using a femtosecond laser-induced backward transfer (LIBT) method. By space-selectively modifying both the surface morphology and surface chemistry in a single step, LIBT provides a convenient and flexible route to fabricate superhydrophobic surfaces with ultralow adhesion. A systematic mechanism responsible for the anisotropic wetting behaviors and adhesion modulation was proposed with a combination of the Cassie and Wenzel models. X-ray photoelectron spectroscopy revealed that oxidation and defluorination were induced by laser radiation. LIBT is proved to be a promising method for programmable manipulations of functional surfaces with diverse wettability.
superhydrophobic surface laser-induced backward transfer fluorinated ethylene propylene glass Chinese Optics Letters
2022, 20(4): 043801
1 东南大学机械工程学院, 江苏 南京 211189
2 江苏省微纳生物医疗与器械设计与制造重点实验室, 江苏 南京 211189
3 江苏省农业科学院农业设施与装备研究所, 江苏 南京 210014
近些年,激光加工方法被广泛用于功能性表面的制备。然而,现有的激光加工方法在处理速率、生产成本、制备表面的耐用性/可靠性方面仍有很大进步空间。本工作致力于研发一种高效激光多功能表面制备工艺。此工艺将激光表面加工与化学浸润处理相结合,先使用一定工艺窗口下的激光加工过程对表面进行预处理,再使用化学浸润过程进一步修饰微纳结构,同时改变表面能/表面化学。研究结果表明,激光加工与化学浸润共同作用下制备的微纳米化合金表面实现了超疏水性能和表面显微硬度的提升,同时该表面在海水和海洋大气环境中还展现出了优异的耐腐蚀性能。相对传统激光处理方法,所提方法在一定程度上提升了制备效率并降低了生产成本,在海洋工程领域有很好的应用前景。
激光技术 化学修饰 超疏水表面 微纳结构 耐腐蚀性 中国激光
2021, 48(14): 1402018
1 清华大学材料学院,激光材料加工研究中心, 北京 100084
2 清华大学先进成形制造教育部重点实验室, 北京 100084
本文针对超疏水表面的防除冰性能,采用超快激光结合化学氧化的复合制备方法,开发了一类新的三级微纳超疏水表面结构,这类结构由微米锥阵列支撑结构以及在其上密集生长的金属氧化物纳米草结构和弥散分布的微米或亚微米花结构组合而成。经过表面改性后,这类三级微纳结构具有优异的超疏水性,其接触角可超过160°,滚动角在1°以内。对这类三级微纳超疏水表面的防结冰性能进行研究后发现,在冷凝和低温环境下,该类超疏水表面存在合并诱导自跳跃以及分级冷凝的现象,分级冷凝不仅可使表面上的一级冷凝液滴在高湿度环境下依然保持Cassie状态,还能使液滴在结冰前脱离表面,因此具有较好的防结冰性能;此外,由于表面三级微纳粗糙结构中捕获的空气囊具有较好的隔热作用,因此该超疏水表面具有良好的延迟结冰性能,其延迟异质形核的时间达到了52 min 39 s。最后,本文对三级微纳超疏水表面的疏冰性能进行了研究,结果表明:三级微纳超疏水表面的冰粘附强度仅为6 kPa,约为未经处理的铝合金表面的1/40;经过10次推冰测试后,该超疏水表面的冰粘附强度依然不超过20 kPa,说明该表面具有良好的机械耐久性,应用潜力巨大。
激光技术 超快激光 超疏水表面 多级微纳结构 防结冰 疏冰
1 Intelligent Manufacturing Institute of Laser and Optoelectronic, Wenzhou University, Wenzhou 325035, China
2 Zhejiang Key Laboratory of Laser Processing Robot, College of Mechanical & Electrical Engineering, Wenzhou University, Wenzhou 325035, China
1 温州大学激光与光电智能制造研究院，浙江 温州 325035
2 温州大学机电工程学院，浙江省激光加工机器人重点实验室，浙江 温州 325035
由于超疏水表面在防腐、油水分离、流体减阻和液体转移方面的应用潜力，如何制作性能优异的超疏水表面成为研究热点。材料表面的形貌特征是决定其润湿性能的一个重要因素，因此，通常采用表面结构化来获得超疏水性能。在材料表面构织微纳结构方面，基于脉冲激光的微纳加工技术具有得天独厚的优势，尤其是在制作特定图案的复杂结构方面。本文根据激光器的脉冲宽度分类，通过刻蚀后材料表面形貌和润湿性特征对激光制作超疏水表面的基本理论和典型工艺方法进行介绍和总结，并对超疏水表面的发展前景作出展望。
超疏水表面 激光加工 接触角 滚动角 superhydrophobic surface laser processing contact angle sliding angle
