液体注入型超滑表面及其激光精密微加工方法与流程

本发明涉及功能材料技术领域，具体涉及一种液体注入型超滑表面及其激光精密微加工方法。

背景技术：

2011年，哈佛大学的Aizenberg课题组受到猪笼草利用瓶状叶光滑的叶边缘捕食昆虫的启发，第一次提出了易滑液体注入多孔表面的概念，也称为超滑表面。通过制备疏松多孔的基底并灌注润滑油，获得了动态油膜覆盖的超滑表面。由于用液-液界面取代传统的固-液界面，接触面的粗糙度降低到分子级别，因此超滑表面上的液滴能够以很小的滚动角滚动。这与同样具有低滚动角特性的超疏水表面相似，但超疏水表面的缺陷在于表面能较低的液体如十六烷、苯基硅油等接触超疏水表面时会浸入表面微纳结构，而另一缺陷在于液滴以一定的动能冲击表面时有破坏表面微纳结构的可能，也更容易浸入表面的微纳结构，从而导致超疏水状态的失效。此外低表面能涂层或化学基团长期使用后容易退化或沾污，例如细菌与表面接触时会产生蛋白质等生物大分子吸附在表面上使得低表面能退化，从而丧失超疏液性能。

超滑表面本质上是用微纳结构中填充的油代替了超疏液表面微纳结构中的空气，低表面能液体也能够以较小的角度在超滑表面滚动而不浸入到基底间隙。除了低黏附和自清洁，超滑表面受损之后还能够自修复，因为超滑表面上的润滑油能够在毛细作用下流动来填充划痕空隙。由于超滑表面具有以上诸多优势，其在液滴操控、流体输运、防结冰、抗菌等领域展现出极大的优势和应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种成本低、速度快、简单便捷的液体注入型超滑表面及其激光精密微加工方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案具体如下：

一种液体注入型超滑表面，以金属作为基底，首先采用激光刻蚀的方式在金属表面制备微纳复合结构，并通过烘烤得到超疏水表面，最后将注入液体覆盖在超疏水表面，进而获得液体注入型超滑表面。

在上述技术方案中，所述金属为不锈钢、铝合金、黄铜或钛合金。

在上述技术方案中，所述注入液体为硅油、菜籽油或橄榄油。

在上述技术方案中，所述微纳复合结构为微米级乳突结构，以及纳米级绒毛结构。

一种液体注入型超滑表面激光精密微加工方法，包括以下步骤：

步骤一：将金属样品表面进行打磨处理，使其光滑并去除氧化膜；

步骤二：将步骤一得到的打磨处理后的金属样品放在超声波清洗仪中清洗，清洗干净后，将金属样品用冷风吹干或室温自然晾干，得到洁净的金属样品；

步骤三：利用激光加工技术，采用短脉冲激光器将步骤二得到的洁净的金属样品进行激光扫描处理，在金属表面制备微纳复合结构；

步骤四：将步骤三得到的经过激光加工处理后的金属样品放在超声波清洗仪中清洗，清洗干净后，放入恒温恒湿电热干燥箱内烘烤，得到超疏水表面；

步骤五：将注入液体滴加至步骤四得到的超疏水表面上，最终获得稳定的液体注入型超滑表面。

在上述技术方案中，步骤一具体为：依次使用400目、1200目和2000目砂纸对金属样品表面进行打磨处理，使其光滑并去除氧化膜。

在上述技术方案中，步骤二中所述将步骤一得到的打磨处理后的金属样品放在超声波清洗仪中清洗具体为：先用无水乙醇超声清洗，再用蒸馏水超声清洗，分别进行超声清洗10min，其超声频率为20～40KHz，功率范围为100～150W。

在上述技术方案中，步骤三中所述短脉冲激光器波长为570～1064nm，平均功率小于300W，激光频率可调，间距为10～100μm。

在上述技术方案中，所述步骤四具体为：将步骤三得到的经过激光加工处理后的金属样品放在超声波清洗仪中清洗，先用无水乙醇清洗，再用蒸馏水清洗，分别进行清洗10min，其超声频率为20～40KHz，功率范围为100～150W，所述金属样品放入恒温恒湿电热干燥箱内烘烤，其烘干温度为80℃，时间为20min。

在上述技术方案中，所述步骤五具体为：将注入液体滴加至步骤四得到的超疏水表面上，直至超疏水表面全部被注入液体覆盖，并将样品倾斜20°放置2小时，移除表面多余的注入液体，最终获得稳定的液体注入型超滑表面。

本发明的有益效果是：

1)本发明提供的液体注入型超滑表面激光精密微加工方法，是将不锈钢、铝合金、黄铜或钛合金等金属作为基底，采用激光精密加工技术在金属表面制备微纳复合结构，工艺流程简单易操作，无需其他化学添加剂，无毒副作用及污染，适用于大范围大规模生产。

2)本发明提供的液体注入型超滑表面具有优异防粘超滑特性，测试液滴包括水滴、酸溶液、碱溶液、湖水、海水、血清、甘油和番茄酱，其很容易在液体注入型超滑表面滑落，降低测试液体在液体注入型超滑的滞留时间与概率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明提供的液体注入型超滑表面的结构示意图；

图2为实施例1的液体注入型不锈钢超滑表面形貌扫描电镜照片一；

图3为实施例1的液体注入型不锈钢超滑表面形貌扫描电镜照片二。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做以详细说明。

本发明提供的液体注入型超滑表面激光精密微加工方法具体步骤如下：

步骤一：依次使用400目、1200目和2000目砂纸对金属样品表面进行打磨处理，使其光滑并去除氧化膜；

步骤二：将步骤一得到的打磨处理后的金属样品放在超声波清洗仪中清洗，先用无水乙醇清洗，再用蒸馏水清洗，分别进行清洗10min，其超声频率为20～40KHz，功率范围为100～150W，清洗干净后，将样品用冷风吹干或室温自然晾干，得到洁净的金属样品；

步骤三：利用激光加工技术，采用短脉冲激光器将步骤二得到的洁净的金属样品进行激光扫描处理；激光的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定，调节好相关的工艺参数后点击加工开关，开始加工，在金属表面制备微纳复合结构；所述短脉冲激光器波长为570～1064nm，平均功率小于300W，激光频率可调，间距为10～100μm；

步骤四：将步骤三得到的经过激光加工处理后的金属样品放在超声波清洗仪中清洗，先用无水乙醇清洗，再用蒸馏水清洗，分别进行清洗10min，其超声频率为20～40KHz，功率范围为100～150W，清洗干净后，放入恒温恒湿电热干燥箱内烘烤，其烘干温度为80℃，时间为20min，得到超疏水表面；

步骤五：将硅油、菜籽油或橄榄油等注入液体滴加至步骤四得到的超疏水表面上，直至超疏水表面全部被注入液体覆盖，并将试样倾斜20°放置2小时，移除表面多余的注入液体，最终获得稳定的液体注入型超滑表面。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

如附图1所示，首先采用激光刻蚀的方式在金属表面制备微纳复合结构，所形成的微纳复合结构为微米级乳突结构，以及纳米级绒毛结构，并通过烘烤得到超疏水表面，最后将注入液体覆盖在超疏水表面，进而获得液体注入型超滑表面。液体注入型超滑表面测试液体为水滴、酸溶液、碱溶液、湖水、海水、血清、甘油以及番茄酱。测试结果表明：测试液体很容易在液体注入型超滑表面滑落，能够降低测试液体在表面的滞留时间与概率。

实施例1

液体注入型不锈钢超滑表面激光精密微加工方法的步骤如下:

步骤一：依次使用400目、1200目和2000目砂纸对不锈钢表面进行打磨，使其光滑并去除氧化膜；

步骤二：将不锈钢表面依次放在盛有无水乙醇和去离子水的超声波清洗仪中清洗，分别进行清洗10min，超声频率为20～40KHz，功率范围为100～150W。清洗干净后，将所述不锈钢表面用冷风吹干或室温自然晾干，得到洁净的不锈钢表面；

步骤三：利用激光加工技术，采用波长为570～1064nm激光束对步骤一所述得到的洁净的不锈钢样品进行激光扫描加工，平均功率小于300W；激光的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定，调节好相关的工艺参数后点击加工开关，激光频率可调，间距分别为10～100μm，开始加工。加工结束后，取出加工好的不锈钢样品。在不锈钢表面上形成均匀的微米与纳米复合结构(如附图2和3所示)；

步骤四：将步骤三所述经过激光加工处理后得到的不锈钢样品依次放在盛有无水乙醇和去离子水的超声波清洗仪中清洗，分别进行清洗10min，超声频率为20～40KHz，功率范围为100～150W，清洗干净后，放入温度为80℃的恒温恒湿电热干燥箱内烘烤20min；

步骤五：将硅油滴加至步骤四所述经过烘烤处理后得到的不锈钢样品粗糙结构，直至表面全部被注入液体覆盖，并将试样倾斜20°放置2小时，移除表面多余的注入液体，最终获得稳定的液体注入型不锈钢超滑表面。

实施例2

液体注入型铝合金超滑表面激光精密微加工方法的步骤如下:

步骤一：依次使用400目、1200目和2000目砂纸对铝合金表面进行打磨，使其光滑并去除氧化膜；

步骤二：将铝合金表面依次放在盛有无水乙醇和去离子水的超声波清洗仪中清洗，分别进行清洗10min，超声频率为20～40KHz，功率范围为100～150W。清洗干净后，将所述铝合金表面用冷风吹干或室温自然晾干，得到洁净的铝合金表面；

步骤三：利用激光加工技术，采用波长为570～1064nm激光束对步骤一所述得到的洁净铝合金样品进行激光扫描加工，平均功率小于300W；激光的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定，调节好相关的工艺参数后点击加工开关，激光频率可调，间距分别为10～100μm，开始加工。加工结束后，取出加工好的铝合金样品。在铝合金表面上形成均匀的微米与纳米复合结构；

步骤四：将步骤三所述经过激光加工处理后得到的铝合金样品依次放在盛有无水乙醇和去离子水的超声波清洗仪中清洗，分别进行清洗10min，超声频率为20～40KHz，功率范围为100～150W，清洗干净后，放入温度为80℃的恒温恒湿电热干燥箱内烘烤20min；

步骤五：将菜籽油滴加至步骤四所述经过烘烤处理后得到的铝合金样品粗糙结构，直至表面全部被注入液体覆盖，并将试样倾斜20°放置2小时，移除表面多余的注入液体，最终获得稳定的液体注入型铝合金超滑表面。

实施例3

液体注入型黄铜超滑表面激光精密微加工方法的步骤如下:

步骤一：依次使用400目、1200目和2000目砂纸对黄铜表面进行打磨，使其光滑并去除氧化膜；

步骤二：将黄铜表面依次放在盛有无水乙醇和去离子水的超声波清洗仪中清洗，分别进行清洗10min，超声频率为20～40KHz，功率范围为100～150W。清洗干净后，将所述黄铜表面用冷风吹干或室温自然晾干，得到洁净的黄铜表面；

步骤三：利用激光加工技术，采用波长为570～1064nm激光束对步骤一所述得到的洁净黄铜样品进行激光扫描加工，平均功率小于300W；激光的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定，调节好相关的工艺参数后点击加工开关，激光频率可调，间距分别为10～100μm，开始加工。加工结束后，取出加工好的黄铜样品。在黄铜表面上形成均匀的微米与纳米复合结构；

步骤四：将步骤三所述经过激光加工处理后得到的黄铜样品依次放在盛有无水乙醇和去离子水的超声波清洗仪中清洗，分别进行清洗10min，超声频率为20～40KHz，功率范围为100～150W，清洗干净后，放入温度为80℃的恒温恒湿电热干燥箱内烘烤20min；

步骤五：将橄榄油滴加至步骤四所述经过烘烤处理后得到的黄铜样品粗糙结构，直至表面全部被注入液体覆盖，并将试样倾斜20°放置2小时，移除表面多余的注入液体，最终获得稳定的液体注入型黄铜超滑表面。

实施例4

液体注入型钛合金超滑表面激光精密微加工方法的步骤如下:

步骤一：依次使用400目、1200目和2000目砂纸对钛合金表面进行打磨，使其光滑并去除氧化膜；

步骤二：将钛合金表面依次放在盛有无水乙醇和去离子水的超声波清洗仪中清洗，分别进行清洗10min，超声频率为20～40KHz，功率范围为100～150W。清洗干净后，将所述钛合金表面用冷风吹干或室温自然晾干，得到洁净的钛合金表面；

步骤三：利用激光加工技术，采用波长为570～1064nm激光束对步骤一所述得到的洁净钛合金样品进行激光扫描加工，平均功率小于300W；激光的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定，调节好相关的工艺参数后点击加工开关，激光频率可调，间距分别为10～100μm，开始加工。加工结束后，取出加工好的钛合金样品。在钛合金表面上形成均匀的微米与纳米复合结构；

步骤四：将步骤三所述经过激光加工处理后得到的钛合金样品依次放在盛有无水乙醇和去离子水的超声波清洗仪中清洗，分别进行清洗10min，超声频率为20～40KHz，功率范围为100～150W，清洗干净后，放入温度为80℃的恒温恒湿电热干燥箱内烘烤20min；

步骤五：将硅油滴加至步骤四所述经过烘烤处理后得到的钛合金样品粗糙结构，直至表面全部被注入液体覆盖，并将试样倾斜20°放置2小时，移除表面多余的注入液体，最终获得稳定的液体注入型钛合金超滑表面。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：

1.一种液体注入型超滑表面，其特征在于，其是以金属作为基底，首先采用激光刻蚀的方式在金属表面制备微纳复合结构，并通过烘烤得到超疏水表面，最后将注入液体覆盖在超疏水表面，进而获得液体注入型超滑表面。

2.根据权利要求1所述的液体注入型超滑表面，其特征在于，所述金属为不锈钢、铝合金、黄铜或钛合金。

3.根据权利要求1所述的液体注入型超滑表面，其特征在于，所述注入液体为硅油、菜籽油或橄榄油。

4.根据权利要求1所述的液体注入型超滑表面，其特征在于，所述微纳复合结构为微米级乳突结构，以及纳米级绒毛结构。

5.一种权利要求1-4任意一项所述的液体注入型超滑表面激光精密微加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将金属样品表面进行打磨处理，使其光滑并去除氧化膜；

步骤二：将步骤一得到的打磨处理后的金属样品放在超声波清洗仪中清洗，清洗干净后，将金属样品用冷风吹干或室温自然晾干，得到洁净的金属样品；

步骤三：利用激光加工技术，采用短脉冲激光器将步骤二得到的洁净的金属样品进行激光扫描处理，在金属表面制备微纳复合结构；

步骤四：将步骤三得到的经过激光加工处理后的金属样品放在超声波清洗仪中清洗，清洗干净后，放入恒温恒湿电热干燥箱内烘烤，得到超疏水表面；

步骤五：将注入液体滴加至步骤四得到的超疏水表面上，最终获得稳定的液体注入型超滑表面。

6.根据权利要求5所述的液体注入型超滑表面激光精密微加工方法，其特征在于，步骤一具体为：依次使用400目、1200目和2000目砂纸对金属样品表面进行打磨处理，使其光滑并去除氧化膜。

7.根据权利要求5所述的液体注入型超滑表面激光精密微加工方法，其特征在于，步骤二中所述将步骤一得到的打磨处理后的金属样品放在超声波清洗仪中清洗具体为：先用无水乙醇超声清洗，再用蒸馏水超声清洗，分别进行超声清洗10min，其超声频率为20～40KHz，功率范围为100～150W。

8.根据权利要求5所述的液体注入型超滑表面激光精密微加工方法，其特征在于，步骤三中所述短脉冲激光器波长为570～1064nm，平均功率小于300W，激光频率可调，间距为10～100μm。

9.根据权利要求5所述的液体注入型超滑表面激光精密微加工方法，其特征在于，所述步骤四具体为：将步骤三得到的经过激光加工处理后的金属样品放在超声波清洗仪中清洗，先用无水乙醇清洗，再用蒸馏水清洗，分别进行清洗10min，其超声频率为20～40KHz，功率范围为100～150W，所述金属样品放入恒温恒湿电热干燥箱内烘烤，其烘干温度为80℃，时间为20min。

10.根据权利要求5所述的液体注入型超滑表面激光精密微加工方法，其特征在于，所述步骤五具体为：将注入液体滴加至步骤四得到的超疏水表面上，直至超疏水表面全部被注入液体覆盖，并将样品倾斜20°放置2小时，移除表面多余的注入液体，最终获得稳定的液体注入型超滑表面。

技术总结

本发明涉及一种液体注入型超滑表面及其激光精密微加工方法，属于功能材料技术领域。本发明的液体注入型超滑表面是以金属作为基底，首先采用激光刻蚀的方式在金属表面制备微纳复合结构，通过烘烤得到超疏水表面，再将注入液体覆盖在超疏水表面，获得液体注入型超滑表面。测试液滴包括水滴、酸溶液、碱溶液、湖水、海水、血清、甘油和番茄酱，本发明的液体注入型超滑表面具有很小摩擦阻力，且可以很容易在表面滑落，降低水滴等测试液体在表面的滞留时间与概率。本发明的液体注入型超滑表面激光精密微加工方法采用激光精密加工技术在金属表面制备微纳复合结构，工艺流程简单易操作，无需其他化学添加剂，无毒副作用及污染，适用于大范围大规模生产。

技术研发人员：

于化东;廉中旭;许金凯;于占江;王志超;张向辉;李一全;李晓舟;弯艳玲;于天琪;刘启蒙;李雪峰;杨建

受保护的技术使用者：

长春理工大学

文档号码：

201710017934

技术研发日：

2017.01.10

技术公布日：

2017.06.20