本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)公開(kāi)了一種利用納秒脈沖激光在材料表面制備周期性波紋結(jié)構(gòu)的方法。其制備步驟如下：將試樣材料表面進(jìn)行機(jī)械打磨和拋光后，用無(wú)水乙醇超聲清洗干凈；采用納秒脈沖激光工藝，通過(guò)預(yù)制鏡對(duì)激光束進(jìn)行調(diào)制，在空氣環(huán)境中，激光束經(jīng)預(yù)制鏡進(jìn)行預(yù)調(diào)制后垂直入射到材料表面，即可在材料表面誘導(dǎo)產(chǎn)生周期性波紋結(jié)構(gòu)。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于其工藝簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)周期短，實(shí)施費(fèi)用低且無(wú)污染，是一種在材料表面快速制備周期性波紋結(jié)構(gòu)的方法，具有巨大的研究意義及應(yīng)用價(jià)值。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)涉及金屬材料表面微制造領(lǐng)域，更加具體地說(shuō)，特別是一種利用脈沖激光 在材料表面快速制備周期性微波紋結(jié)構(gòu)的方法。
技術(shù)介紹
形態(tài)學(xué)表面改性技術(shù)就是在不改變表面化學(xué)性質(zhì)的前提下通過(guò)改善材料表面微觀形貌以提高其表面的特性。在1998年，Nature上就報(bào)道過(guò)通過(guò)預(yù)制微結(jié)構(gòu)的方式獲得了具有一定有序性的波紋的研究結(jié)果。此后，很多方法被研究和建議，但時(shí)至今日尚無(wú)一種方法能夠制備出完美的人造波紋結(jié)構(gòu)。盡管如此，一種基于規(guī)則波紋結(jié)構(gòu)的易于大面積實(shí)現(xiàn)、低成本的表面微納結(jié)構(gòu)制備方法一直在吸引并激勵(lì)著人們克服種種困難。近來(lái)，部分研究者開(kāi)始使用激光這一手段在材料表面制備周期性結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)材料表面性倉(cāng)泛的改變 ° Liang 等使用飛秒激光在純鈦表面制備了明顯的微溝槽結(jié)構(gòu)，波紋周期為 20 μ m。Chuan等使用激光直寫(xiě)技術(shù)在材料表面制備出可設(shè)計(jì)、無(wú)缺陷和高度有序的表面波形結(jié)構(gòu)。專(zhuān)利CN 102626826A公開(kāi)了一種基于激光沖擊波的高效微凹槽制備裝置及方法，利用激光誘導(dǎo)的沖擊波產(chǎn)生的巨大壓力，將金屬網(wǎng)嵌入金屬材料表面，在金屬表面形成微凹槽。綜上所述，這些已有的研究報(bào)道均是利用激光來(lái)實(shí)現(xiàn)表面波紋結(jié)構(gòu)的制備。通過(guò)以上技術(shù)均可制備出可設(shè)計(jì)、可控的規(guī)則波形結(jié)構(gòu)。但是均存在設(shè)備昂貴、制備工藝復(fù)雜等缺陷，其應(yīng)用也受到局限。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對(duì)目前激光表面圖案化技術(shù)的不足，在本專(zhuān)利技術(shù)中通過(guò)預(yù)制鏡對(duì)激光進(jìn)行預(yù)制，從而得到一種微米級(jí)的具有周期性環(huán)形結(jié)構(gòu)的材料，本專(zhuān)利技術(shù)工藝簡(jiǎn)單、方便實(shí)用且無(wú)污染，可用于熔點(diǎn)較低的純鎂和純鈦等金屬及非金屬材料。本專(zhuān)利技術(shù)的技術(shù)方案—種利用脈沖激光在材料表面制備周期性環(huán)形結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于制備步驟如下I)材料表面經(jīng)機(jī)械打磨和拋光后，用無(wú)水乙醇超聲清洗干凈，然后在空氣環(huán)境中將其固定在試樣平臺(tái)上，固定移動(dòng)平臺(tái)與激光器的距離。2)將預(yù)制鏡置于激光器前部，使用該預(yù)制鏡對(duì)激光束進(jìn)行預(yù)調(diào)制。3)將上述試樣材料在垂直于入射激光束方向上移動(dòng)，通過(guò)觀察成像系統(tǒng)中光斑入射到上述材料表面位置的變化，調(diào)整其在平臺(tái)上的位置，使光斑垂直于上述金屬材料的表面，并使光斑落在上述金屬材料的表面上。4)保持入射的激光束方向不變，通過(guò)調(diào)整激光器入射能量及轟擊次數(shù)，在上述材料表面制備獲得不同深度及寬度的微米級(jí)的周期性環(huán)形結(jié)構(gòu)。所述試樣為熔點(diǎn)較低的純鎂和純鈦等金屬及非金屬材料。所述激光的參數(shù)為脈沖重復(fù)頻率為不低于O. 1Hz，激光波長(zhǎng)為不低于946nm的長(zhǎng)波，脈寬為納秒量級(jí)。所述入射激光能量不低于10毫焦耳。所述入射激光的轟擊次數(shù)不低于I次，在試樣材料表面誘導(dǎo)產(chǎn)生不同深度的周期性環(huán)形結(jié)構(gòu)。本專(zhuān)利技術(shù)的有益效果如下(I)本專(zhuān)利技術(shù)通過(guò)改變激光入射能量以及轟擊次數(shù)可得到不同深度、不同周期的微米級(jí)的周期性結(jié)構(gòu)。(2)本專(zhuān)利技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于快速的脈沖持續(xù)時(shí)間將會(huì)導(dǎo)致激光作用過(guò)程中熱傳導(dǎo)效應(yīng)在根本上得到減弱和消除。(3)本專(zhuān)利技術(shù)是通過(guò)對(duì)脈沖激光進(jìn)行預(yù)調(diào)制來(lái)制備微結(jié)構(gòu)，這種加工工藝存在更加方便快捷，并且工藝簡(jiǎn)單，制備成本低。附圖說(shuō)明圖I為本專(zhuān)利技術(shù)實(shí)施例I所制得的純鎂表面微米級(jí)的周期性環(huán)形結(jié)構(gòu)的金相照片。圖2為本專(zhuān)利技術(shù)實(shí)施例2所制得的純鈦表面微米級(jí)的周期性環(huán)形結(jié)構(gòu)的金相照片。圖3為本專(zhuān)利技術(shù)實(shí)施例I所制得的純鎂表面微米級(jí)的周期性環(huán)形結(jié)構(gòu)的掃描照片和EDS能譜分析圖，其中(a)為掃描電鏡照片，(b) (C)分別為元素鎂和氧的面掃。圖4為本專(zhuān)利技術(shù)實(shí)施例I所制得的樣品的表面結(jié)構(gòu)與測(cè)量。圖5為本專(zhuān)利技術(shù)所用預(yù)制鏡對(duì)激光進(jìn)行預(yù)制的原理圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本專(zhuān)利技術(shù)的技術(shù)方案。本專(zhuān)利所用預(yù)制鏡為Dawa-350型Nd = YAG激光器配備的一種均勻反射輸出鏡，其反射率為80%，反射膜半徑a =2mm。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)衍射理論，因?yàn)榇祟A(yù)制鏡上的反射膜是一層層鍍上去的，這樣就會(huì)形成一種梯度的變化，所得到的光斑就會(huì)出現(xiàn)這種波紋型結(jié)構(gòu)。實(shí)施例I :I)將10X 10X4mm3的純鎂材料依次用400-2000號(hào)水砂紙逐級(jí)打磨后，用無(wú)水乙醇超聲清洗干凈，然后在空氣環(huán)境中將其固定在三維移動(dòng)平臺(tái)上，固定移動(dòng)平臺(tái)與激光器的距離，其距離為20cm。2)將預(yù)制鏡安裝于激光器頭部，使用該預(yù)制鏡對(duì)激光束進(jìn)行預(yù)調(diào)制。3)將上述金屬材料在垂直于入射激光束方向上移動(dòng)，通過(guò)觀察成像系統(tǒng)中光斑入射到上述金屬材料表面位置的變化，調(diào)整其在平臺(tái)上的位置，使光斑垂直于上述金屬材料的整個(gè)表面，并使光斑全部落在上述金屬材料的表面上。所述激光的參數(shù)為脈沖重復(fù)頻率為IHz，激光波長(zhǎng)為1064納米，光斑直徑為6毫米，脈寬為5 6納秒。4)保持入射的激光束方向不變，調(diào)整激光器入射能量為229mJ，設(shè)定轟擊次數(shù)為1000次，即可在純鎂材料表面制備出具有一定深度的微米級(jí)的周期性環(huán)形結(jié)構(gòu)。將上述具有微米級(jí)周期環(huán)形結(jié)構(gòu)的純鎂試樣，通過(guò)金相顯微鏡(0LYMPUSC-35A型)可以觀察到樣品表面的激光輻照區(qū)內(nèi)形成了一種周期性結(jié)構(gòu)，如圖I所示。它是由一個(gè)個(gè)寬度相近的圓環(huán)形結(jié)構(gòu)組成的，環(huán)形結(jié)構(gòu)的寬度從內(nèi)而外逐漸變窄，并且環(huán)形結(jié)構(gòu)的寬度在20-100微米之間。在經(jīng)激光轟擊后，損傷區(qū)表面的粗糙度增加，其寬度也有利于類(lèi)骨細(xì)胞的攀附與生長(zhǎng)。將上述具有微米級(jí)周期環(huán)形結(jié)構(gòu)的純鎂試樣，使用掃描電子顯微鏡(日本，Hitachi，S4800型)對(duì)轟擊后試樣表面的元素分布進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)觀察實(shí)驗(yàn)表面主要有鎂元素和氧元素，并且激光作用區(qū)的氧元素含量明顯少于未作用區(qū)，如圖3所示。將上述具有微米級(jí)周期環(huán)形結(jié)構(gòu)的純鎂試樣，放置在表面三維立體顯微鏡上，對(duì)試樣表面環(huán)形結(jié)構(gòu)和深度進(jìn)行測(cè)試，如圖4所示。實(shí)施例2 材料為純鈦，激光轟擊次數(shù)為200，其他技術(shù)步驟和工藝條件均與實(shí)施例I相同。在這種情況下，實(shí)驗(yàn)觀察到經(jīng)脈沖激光照射后的純鈦表面具有和實(shí)施例I相似的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。將上述具有微米級(jí)周期環(huán)形結(jié)構(gòu)的純鎂試樣，放置在三維立體顯微鏡上，對(duì)試樣表面環(huán)形結(jié)構(gòu)和深度進(jìn)行測(cè)試。以上對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)做了示例性的描述，應(yīng)該說(shuō)明的是，在不脫離本專(zhuān)利技術(shù)的核心的情況下，任何簡(jiǎn)單的變形、修改或者其他本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠不花費(fèi)創(chuàng)造性勞動(dòng)的等同替換均落入本專(zhuān)利技術(shù)的保護(hù)范圍。權(quán)利要求1.一種利用脈沖激光在材料表面制備周期性波紋結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，按照下述制備步驟進(jìn)行 1)試樣表面經(jīng)機(jī)械打磨和拋光后，用無(wú)水乙醇清洗干凈，然后在空氣環(huán)境中將其固定在試樣臺(tái)上，固定試樣臺(tái)與激光器光源的距離； 2)將預(yù)制鏡置于激光器光源前部，使用該預(yù)制鏡對(duì)激光束進(jìn)行預(yù)調(diào)制； 3)將上述材料在垂直于入射激光束方向上移動(dòng)，通過(guò)觀察成像系統(tǒng)中光斑入射到上述材料表面位置的變化，調(diào)整其在平臺(tái)上的位置，使光斑垂直于上述金屬材料的表面，并使光斑落在上述材料的表面上； 4)保持入射的激光束方向不變，通過(guò)調(diào)整激光器入射頻率、入射能量及轟擊次數(shù)，在上述材料表面制備獲得不同深度及寬度的微米級(jí)的周期性環(huán)形結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用脈沖激光在材料表面制備周期性環(huán)形結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述脈沖激光參數(shù)為脈沖重復(fù)頻率為不低于O. 1Hz，激光波長(zhǎng)為不低于946nm的長(zhǎng)波，脈寬為納秒量級(jí)，所述入射激光能量不低于10毫焦耳，所述入射激光的轟擊次數(shù)不少于I次。3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用脈沖激光在材料表面制備周期性環(huán)形結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述材料為熔點(diǎn)較低的純鎂或者純本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種利用脈沖激光在材料表面制備周期性波紋結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，按照下述制備步驟進(jìn)行：1)試樣表面經(jīng)機(jī)械打磨和拋光后，用無(wú)水乙醇清洗干凈，然后在空氣環(huán)境中將其固定在試樣臺(tái)上，固定試樣臺(tái)與激光器光源的距離；2)將預(yù)制鏡置于激光器光源前部，使用該預(yù)制鏡對(duì)激光束進(jìn)行預(yù)調(diào)制；3)將上述材料在垂直于入射激光束方向上移動(dòng)，通過(guò)觀察成像系統(tǒng)中光斑入射到上述材料表面位置的變化，調(diào)整其在平臺(tái)上的位置，使光斑垂直于上述金屬材料的表面，并使光斑落在上述材料的表面上；4)保持入射的激光束方向不變，通過(guò)調(diào)整激光器入射頻率、入射能量及轟擊次數(shù)，在上述材料表面制備獲得不同深度及寬度的微米級(jí)的周期性環(huán)形結(jié)構(gòu)。
【技術(shù)特征摘要】
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：魏強(qiáng)，平瑞婷，王偉莉，劉愛(ài)峰，馬劍雄，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：天津大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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