疏水双尺度微结构表面的激光加工及其脱附性能研究

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微纳结构能够改变物体的表面浸润性,进而影响物体表面与液体之间的脱附性能。然而,单一尺度的微纳结构表面,与高粘度的液体接触时往往脱附性能不足。本文借鉴荷叶超疏水自清洁表面的微纳米复合结构,采用激光刻蚀方法,在高速钢和不锈钢这两种常用工具钢材料表面,设计和加工出了由火山口形状突起阵列结构(100μm尺度量级)与激光刻蚀粗糙结构(1μm尺度量级)共同组成的疏水双尺度微结构。针对目前两种典型的高粘度服役刀具——碳纤维预浸料短切刀具和医用手术刀具——表面的液体粘刀问题,开展了疏水双尺度微结构表面的脱附性能测试和机理分析。通过改变激光加工参数加工了不同形貌的粗糙刻蚀结构,并研究了扫描速率、激光功率、加工次数和路径间距对激光刻蚀结构形貌的影响,优化了最佳刻蚀微结构形貌的加工参数并用于双尺度微结构的加工。设计了合理的激光加工路径和工艺参数,加工出具有不同突起阵列尺寸的双尺度微结构。采用扫描电镜和3D光学轮廓仪对所加工的双尺度微结构表面的形貌进行观察和分析,研究了突起阵列结构的高度、间距和直径参数对双尺度微结构的形貌和粗糙度的影响。激光加工的双尺度微结构经过合适的后处理,获得了拥有优异液体脱附性能的疏水双尺度微结构表面。对比测试分析了不同突起阵列结构形貌的疏水双尺度微结构表面的水滴、树脂和血清液滴的脱附情况,并从Wenzel和Cassie浸润原理出发,探究了疏水双尺度微结构的形貌和粗糙度对表面液体脱附性能的影响机理,优化了疏水双尺度微结构表面的结构形貌参数。在所制备的液态树脂脱附双尺度微结构表面上,水和树脂接触角最高分别达到了157.2°和149.7°,滚动角分别低至2.8°和7.3°,即使在液滴受挤压的情况下也能保持优异的树脂脱附特性。所制备的血清脱附双尺度微结构表面上,水和血清接触角分别达到137.1°和124.2°,血清接触角相比光滑和单一尺度刻蚀微结构表面分别提升了74.9%和38.9%。研究结果表明,通过减小突起阵列结构的直径和间距,增加突起的高度,提高双尺度微结构表面的粗糙度,可以减小固-液接触界面,获得更佳的疏水和液滴脱附性能。
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