一種壓印超疏水性微納米表面的金屬模具及其激光制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種壓印超疏水性微納米表面的金屬模具及其激光制備方法。包括如下步驟：用超短脈沖激光燒蝕金屬基材，經(jīng)過激光燒蝕去除，在所述金屬基材的表面得到荷葉微納米結(jié)構(gòu)的對稱負(fù)結(jié)構(gòu)，至此即得到所述金屬模具；所述荷葉微納米結(jié)構(gòu)的對稱負(fù)結(jié)構(gòu)為微米級凹坑和所述微米級凹坑內(nèi)表面的納米級亞結(jié)構(gòu)。本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種用于壓印非金屬或輕金屬材料形成其表面超疏水性荷葉微納米結(jié)構(gòu)的微納米壓印金屬模具及其激光制備方法，尤其是利用高功率皮秒激光高效大面積制備這種微納米壓印金屬模具及其制備方法，具有制備效率高，微納米壓印模具耐高溫、高壓，壓印材料范圍廣，微納米結(jié)構(gòu)參數(shù)精密可調(diào)、荷葉結(jié)構(gòu)逼真等一系列綜合優(yōu)勢，是現(xiàn)有其他方法所難以比較的。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【專利摘要】本專利技術(shù)公開了。包括如下步驟：用超短脈沖激光燒蝕金屬基材，經(jīng)過激光燒蝕去除，在所述金屬基材的表面得到荷葉微納米結(jié)構(gòu)的對稱負(fù)結(jié)構(gòu)，至此即得到所述金屬模具；所述荷葉微納米結(jié)構(gòu)的對稱負(fù)結(jié)構(gòu)為微米級凹坑和所述微米級凹坑內(nèi)表面的納米級亞結(jié)構(gòu)。本專利技術(shù)提供了一種用于壓印非金屬或輕金屬材料形成其表面超疏水性荷葉微納米結(jié)構(gòu)的微納米壓印金屬模具及其激光制備方法，尤其是利用高功率皮秒激光高效大面積制備這種微納米壓印金屬模具及其制備方法，具有制備效率高，微納米壓印模具耐高溫、高壓，壓印材料范圍廣，微納米結(jié)構(gòu)參數(shù)精密可調(diào)、荷葉結(jié)構(gòu)逼真等一系列綜合優(yōu)勢，是現(xiàn)有其他方法所難以比較的。【專利說明】
本專利技術(shù)涉及一種壓印超疏水性微納米表面的金屬模具及其制備方法，具體涉及。
技術(shù)介紹
荷葉具有“出污泥而不染”的自清潔功能，這種功能來源于荷葉表面的低自由能成分和獨(dú)特的微納米結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的超疏水性，即表面與水的接觸角超過150°。20世紀(jì)70年代，德國Bonn大學(xué)植物學(xué)家Barthlott教授發(fā)現(xiàn),荷葉表面存在著多重的微米和納米結(jié)構(gòu)，由平均尺寸約為10 μ m的微納米凸起和直徑為100?200nm的納米級蠟絲構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)將水與界面的面接觸轉(zhuǎn)變?yōu)樗c微納米結(jié)構(gòu)凸起的點(diǎn)接觸，在微米凸起之間的凹陷處形成了納米級的空氣層，再與低表面能的蠟共同作用，使得荷葉表面具有超疏水特性，因此，超疏水性自清潔功能是由表面蠟質(zhì)和微米級結(jié)構(gòu)共同作用引起的。荷葉的這種超疏水自清潔效應(yīng)長期以來受到普遍的關(guān)注和研究，荷葉的表面結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分與浸潤性的關(guān)系，荷葉表面自清潔效應(yīng)的本質(zhì)以及理論上的解釋已基本澄清，各種仿荷葉的功能表面也在不斷研發(fā)。超疏水表面在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ钪杏兄匾膽?yīng)用前景，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、天線、門窗防積雪，船、潛艇等外殼減小阻力，石油輸送管道內(nèi)壁、微量注射器針尖防止粘附堵塞，減少損耗，建筑、紡織品、皮革制品防水防污等，超疏水表面在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域?qū)l(fā)揮越來越重要的作用。超疏水性表面的基本制備思路是降低表面自由能同時形成表面微納米結(jié)構(gòu)，可以在低自由能疏水材料(與水的接觸角大于90° )表面制備微納米結(jié)構(gòu)，也可以在已經(jīng)具有微納米結(jié)構(gòu)的粗糙表面上修飾低自由能的材料，或者先制備表面微納米結(jié)構(gòu)然后再修飾低自由能材料。降低表面自由能可采取表面氟化處理等方法，相對容易實(shí)現(xiàn)，制備表面微納米結(jié)構(gòu)則是實(shí)現(xiàn)材料表面的超疏水性的重點(diǎn)。迄今，制備表面微納米結(jié)構(gòu)方面已經(jīng)有很多研究，發(fā)展了許多方法。主要可分為“自下而上”(Bottom-Up)和“自上而下”(Top-Down)兩類。“自下而上”是材料單元通過彼此之間弱的相互作用經(jīng)自組裝形成微納米結(jié)構(gòu)的方法，包括模板法、溶膠凝膠法、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、水熱法、電化學(xué)沉積等；“自上而下”是通過刻蝕等微加工技術(shù)在材料表面制備出微納米結(jié)構(gòu)的方法，主要包括光刻蝕法、等離子體刻蝕法、激光燒蝕法、脫合金法等。用上述化學(xué)的和物理的方法已經(jīng)制備了不少表面微納米結(jié)構(gòu)而從實(shí)現(xiàn)了表面超疏水性，如:熔融烷基正乙烯酮二聚體的固化、聚四氟乙烯(PTFE)存在時聚丙烯(PP)的等離子體聚合(或刻蝕)、微波等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法、陽極氧化法、將多孔氧化鋁凝膠浸入沸水中、將升華材料與硅石或鋁石混合、相分離法、激光燒蝕聚二甲基硅氧烷(PDMS)、在硼玻璃表面生長出納米直徑的規(guī)則針尖陣列、具有微納米結(jié)構(gòu)顆粒的油漆涂覆，納米聚丙烯顆粒粘結(jié)在布料的纖維表面等等，上述方法各有特色，均實(shí)現(xiàn)了超疏水性表面。目前存在的首要問題是如何大面積、高效、低成本地制備超疏水性表面，以使得超疏水自清潔表面的優(yōu)異性能能夠廣泛應(yīng)用。其中，通過微納米壓印方法是實(shí)現(xiàn)大面積、大批量、低成本制備超疏水性表面的有效方法，因此專利技術(shù)一種壓印超疏水性微納米表面的金屬模具及其制備方法、實(shí)現(xiàn)超疏水性表面的批量壓印生產(chǎn)具有重要的意義和廣闊的應(yīng)用前景。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供，本專利技術(shù)利用高功率皮秒激光或飛秒激光實(shí)現(xiàn)這種微納米壓印金屬模具的高效大面積制備。本專利技術(shù)所提供的一種壓印超疏水性微納米表面的金屬模具的激光制備方法，包括如下步驟:用超短脈沖激光燒蝕金屬基材，經(jīng)過激光燒蝕去除，在所述金屬基材的表面得到荷葉微納米結(jié)構(gòu)的對稱負(fù)結(jié)構(gòu)，至此即得到所述金屬模具；所述荷葉微納米結(jié)構(gòu)的對稱負(fù)結(jié)構(gòu)為微米級凹坑和所述微米級凹坑內(nèi)表面的納米級亞結(jié)構(gòu)。上述的激光制備方法中，所述金屬基材的材質(zhì)可為模具鋼、高速鋼或硬質(zhì)合金，所述模具鋼包括熱作模具鋼和冷作模具鋼。上述的激光制備方法中，所述納米級亞結(jié)構(gòu)可為納米波紋或納米顆粒；所述納米級波紋或納米顆粒的大小可為50?900nm,具體可為50?700nm、50nm、IOOnm 或 700nm。上述的激光制備方法中，所述超短脈沖激光可為皮秒激光和/或飛秒激光。上述的激光制備方法中，所述超短脈沖激光可為紅外光、可見光或紫外光。上述的激光制備方法中，所述皮秒激光的脈沖寬度可為0.9?20皮秒，具體可為3?15皮秒、3皮秒或15皮秒，重復(fù)頻率可為IK?4MHz，具體可為100K?4MHz、IOOKHz或4MHz，平均功率可為IW?400W，具體可為40?100W、40W或100W ；所述飛秒激光的脈沖寬度可為10?900飛秒，如100飛秒，重復(fù)頻率可為IK?IMHz，如IKHz，平均功率可為IW?100W，如4W。上述的激光制備方法中，所述荷葉微納米結(jié)構(gòu)的對稱負(fù)結(jié)構(gòu)可通過下述I)或2)的方法來制備:I)、固定所述金屬基材，所述超短脈沖激光經(jīng)掃描振鏡掃描燒蝕所述金屬基材形成所需面積的所述荷葉微納米結(jié)構(gòu)的對稱負(fù)結(jié)構(gòu)；2)、固定所述超短脈沖激光，所述超短脈沖激光燒蝕所述金屬基材，所述金屬基材經(jīng)數(shù)控X-Y平臺移動形成所需面積的所述荷葉微納米結(jié)構(gòu)的對稱負(fù)結(jié)構(gòu)。本專利技術(shù)提供的激光制備方法中的“激光燒蝕去除”是指當(dāng)脈沖激光能量密度超過某種材料的燒蝕閾值時，激光作用區(qū)內(nèi)材料表面出現(xiàn)蒸發(fā)現(xiàn)象，形成材料的去除，去除量取決于激光參數(shù)；材料的燒蝕閾值與材料特性和脈沖激光參數(shù)如脈沖寬度等有關(guān)，如在70飛秒激光作用下，Cu、Al、Fe、Ni和Mo等金屬的燒蝕閾值分別為0.25、0.25、0.28、0.20和0.40J/cm2 ;在10皮秒激光作用下，H13熱作模具鋼的燒蝕閾值為0.9J/cm2，而高速鋼的燒蝕閾值為1.02J/cm2。本專利技術(shù)還進(jìn)一步提供了由上述方法制備得到的壓印超疏水性微納米表面的金屬模具，所述金屬模具的表面具有荷葉微納米結(jié)構(gòu)的對稱負(fù)結(jié)構(gòu)，所述荷葉微納米結(jié)構(gòu)的對稱負(fù)結(jié)構(gòu)為微米級凹坑和所述微米級凹坑內(nèi)表面的納米級亞結(jié)構(gòu)。上述的金屬模具中，所述微米級凹坑的形狀可為圓形，其直徑可為5~ΙΟΟμπι，具體可為5~60 μ m、20~60 μ m、5 μ m、20 μ m或60 μ m,深度可為5~30 μ m,具體可為5 μ m~20 μ m>5 μ m> 10 μ m 5? 20 μ m ；所述微米級凹坑呈蜂窩狀密集分布，所述微米級凹坑之間的間距可為5~50 μ m， 為 5μηι~20μηι、5μηι、20μηι--^50μηι。上述的金屬模具中，所述納米級亞結(jié)構(gòu)可為納米波紋或納米顆粒；所述納米級波紋或納米顆粒的大小可為50~900nm,具體可為50~70本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種壓印超疏水性微納米表面的金屬模具的激光制備方法，包括如下步驟：用超短脈沖激光燒蝕金屬基材，經(jīng)過激光燒蝕去除，在所述金屬基材的表面得到荷葉微納米結(jié)構(gòu)的對稱負(fù)結(jié)構(gòu)，至此即得到所述金屬模具；所述荷葉微納米結(jié)構(gòu)的對稱負(fù)結(jié)構(gòu)為微米級凹坑和所述微米級凹坑內(nèi)表面的納米級亞結(jié)構(gòu)。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：鐘敏霖，林澄，張紅軍，范培迅，龍江游，
申請(專利權(quán))人：清華大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：