【摘 要】
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近年来激光诱导周期性表面结构(laser-induced periodic surface structures,LIPSS)引起了人们广泛的关注,这种表面改性方法能够显著地提升材料的某些性能。聚酰亚胺(Polyimide,PI)是综合性能最好的聚合物材料之一,关于激光诱导PI周期性表面结构的制备及其性能应用研究几乎为空白。所以本文主要进行了以下四个方面的研究。首先,设计并搭建了一套与准分子激光器
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近年来激光诱导周期性表面结构(laser-induced periodic surface structures,LIPSS)引起了人们广泛的关注,这种表面改性方法能够显著地提升材料的某些性能。聚酰亚胺(Polyimide,PI)是综合性能最好的聚合物材料之一,关于激光诱导PI周期性表面结构的制备及其性能应用研究几乎为空白。所以本文主要进行了以下四个方面的研究。首先,设计并搭建了一套与准分子激光器适配的光路系统,使激光能够更好地用于PI薄膜改性。该光路系统能够使激光脉冲能量分布由高斯分布转变为高平分布,脉冲光斑大小为12×12 mm~2,并且脉冲能量密度可在0-50 m J/cm~2内随意调节。第二,研究了能够在PI薄膜上生成周期性微纳结构的激光脉冲参数范围,并找到一组最佳参数。实验结果表明,当脉宽为20 ns,频率为10 Hz,入射角度为90°时,能量密度在7 m J/cm~2-18 m J/cm~2之间,脉冲数在6000-18000个之间,都能够在PI薄膜表面生成周期性的波纹结构。波纹结构的周期大约都是200 nm,深度为4 nm-60 nm不等。当脉宽、频率和入射角不变时,能量密度为14.01 m J/cm~2,脉冲数为12000,生成的周期性波纹结构的形貌最规整,波纹深度最大,大约为60 nm。第三,研究了脉冲数和能量密度对PI薄膜表面生成的周期性微纳结构的形貌和粗糙度影响,并从化学成分变化和微观结构两个方面出发,研究了周期性表面结构对PI薄膜润湿性的影响。实验结果显示,在设定的实验参数范围内,随着脉冲数和能量密度的增加,PI薄膜表面的波纹深度和粗糙度呈现了相似的变化规律,基本上都是先增大后减小。最大的表面粗糙度大约是未处理PI薄膜的25倍。PI薄膜表面粗糙度、O/C和N/C的增大,使PI薄膜的水接触角由原来的73.7度产生不同程度的减小,最小的水接触角约为19.7度。PI无毒且具有良好的生物相容性,改性后的PI亲水性又好,这为生物细胞传感器的发展提供新的思路。最后,进行了将改性后的PI薄膜应用于表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering,SERS)的可行性研究。实验结果显示,改性后的PI薄膜能够使拉曼光谱的信号提升三个数量级左右。
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