激光制备特殊润湿性表面在空气和水介质中的动态粘附特性研究

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润湿性是固体表面的重要性质之一。通过改变固体表面的微观结构和化学成分可以实现对材料表面润湿性的动态调控。在空气和水介质中,超疏水/超亲水/复合特殊润湿性表面的特殊固/液/气界面接触状态提供了各种功能性表面的应用方案。本文采用激光刻蚀技术在金属表面构筑微纳米级粗糙结构,再结合表面改性工艺降低表面自由能,获得超疏水/超亲水/复合特殊润湿性表面,并探究其在空气和水介质中的动态粘附特性。主要研究内容包括:1、研究了激光选择性刻蚀制备超疏水/超亲水/复合润湿表面的制备工艺及其润湿性变化规律。采用紫外纳秒激光在不锈钢材料表面上构筑微纳米级双重粗糙结构,结合表面改性与二次激光选择性去除工艺获得了超疏水/超亲水/复合特殊润湿表面的制备,并探讨了激光加工工艺参数和后续化学修饰工艺对超疏水/超亲水性能的影响规律。2、研究了特殊润湿性表面在空气介质中的液滴动态粘附-弹跳特性,并提出一种通过转矩传递在该表面上产生超高速旋转液滴的方法。通过皮秒激光在铝合金材料基底刻蚀制备了复合超疏水-超亲水特殊润湿表面,并利用润湿性图案将旋转基底提供的旋转动量耦合进撞击液滴,构造出超高速旋转液滴。通过调整条纹图案尺寸和驱动基底的驱动速度可实现液滴超高速转速,能够构造出96700转/分的超高速旋转液滴。通过变形的扭矩传递机构是一种高效能量转换方法,它结合撞击液滴的转化动能和旋转基板的旋转动量来构造超高速旋转液滴。3、研究了特殊润湿性表面微结构在水介质中的气泡、细菌粘附动态特性。通过皮秒激光刻蚀了分层叠加微乳突图案表面微结构,结合表面改性后获得了在空气中超疏水和在水下超亲气的复合特殊润湿表面。采用浸提法进行了细菌粘附测试,实验结果发现不管在菌液中浸泡10分钟、50分钟或多次浸取,当样品从菌液中提起时,表面依然没有或仅极少量细菌粘附。特殊润湿表面具有优异的抵抗细菌粘附的能力,证实了分层叠加微纳结构与水下空气层共同构成了抗菌机制。
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