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通过皮秒激光加工在低温钢上构建具有“装甲”结构的坚固超疏水表面

2024-04-08 10:10:32  来源:激光网    

超疏水金属表面具有自清洁、防/除冰等优异性能,在汽车、医疗、航空航天、海洋和石油管道运输等领域具有广阔的应用前景。然而,一个常见的问题是这些表面的机械耐久性差,这极大地限制了它们的发展和实际应用。在实际应用中,超疏水金属表面不可避免地会受到摩擦、冲击和刮擦,这会损害表面的保护功能。特别是在极地船舶应用中,对提高超疏水表面的机械耐久性有更大的需求。

通常,金属材料表现出亲水性,因此,实现超疏水表面需要粗糙结构和低表面能。因此,化学改性方法常用于制备超疏水金属表面。然而,化学改性方法存在操作复杂且使用有毒化学改性剂的问题。这会对用户健康和生态环境产生负面影响,从而限制超疏水金属表面在医疗保健和极地水环境等领域的应用。此外,化学改性剂的稳定性差和对机械摩擦的敏感性极大地限制了超疏水金属表面在机械设备中的应用。

超疏水金属表面在各个领域的实际应用对高机械耐久性提出了严格的要求。为了解决这个问题,许多研究人员通过设计具有优异鲁棒性的表面结构、使用高强度疏水材料以及增强界面粘附力来提高超疏水表面的机械耐久性。Yan利用激光加工合理设计了铜表面的图案,并利用热氧化在表面制备了分级氧化铜纳米线。微米级的突出结构可以保护微槽中的纳米线免受机械磨损。Wu通过在铝基板上复合氟树脂和氧化铁纳米粒子制备了机械坚固的超疏水表面,但在受到5 kPa压力并在360目砂纸上移动2.6 m后,超疏水性能丧失。Fu利用植酸对金属离子的螯合特性制备了坚固的超疏水微金属网。尽管在制备坚固的超疏水金属表面方面取得了一些进展,但大多数研究策略在提高超疏水金属表面的坚固性方面效果有限。

针对这样的挑战,邓旭课题组提出了“装甲”结构的概念,它可以保护疏水纳米结构免受机械磨损,并在增强超疏水金属表面的机械耐久性方面取得重大突破。通过采用压印技术,利用具有金字塔阵列的硅模具将各种互连的腔体结构压到铜、铁等金属表面上。然后用疏水性纳米材料填充这些空腔。具有“铠甲”结构的坚固超疏水金属表面成功通过了一系列机械耐久性测试,大大增强了超疏水金属表面的坚固性。然而,这种制造工艺复杂、昂贵且缺乏通用性。它不仅需要定制合适的模具,还需要后续填充疏水材料。

激光加工是先进制造、3D 打印和表面改性中广泛使用的技术。它简单、高效、灵活、精度高。通过激光加工,可以在铜、铝、钛和不锈钢等金属表面上创建粗糙结构,而无需进行化学处理。这种环保方法可以制备不同的超疏水金属表面,这些表面表现出优异的耐腐蚀性、抗菌性、抗冰性和机械耐久性。Li通过激光织构和热处理成功在铜上制备了不同附着力的超疏水表面,表现出优异的耐腐蚀性能。Khan利用飞秒和皮秒激光在铝表面制造微/纳米结构,并通过真空时效和自然时效实现超疏水表面,表现出优异的自清洁效果。Vanithakumari等通过纳秒激光图案化制备了不同线距的超疏水钛表面,表现出优异的抗菌性能。Anvesh通过一步飞秒激光加工在不锈钢表面制造了双层多尺度结构,形成具有优异防冰性能和机械耐久性的超疏水表面。激光加工技术在直接构建超疏水金属表面方面取得了重大成果。然而,到目前为止,低温钢还没有受到多少关注。

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