激光加工和电化学沉积制备微观悬臂结构

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超疏液表面指液体在其上接触角大于150°的表面,包括超疏水表面和超疏油表面。其中,超疏水表面仅对水的接触角大于150°,而超疏油表面对水和油的接触角均大于150°。超疏水表面在自清洁、防结冰、耐腐蚀等方面有着广泛的应用前景,但超疏水表面易被油类液体污染而失去使用价值,因此超疏油表面相较超疏水表面更具研究意义。研究表明构建具有上宽下窄特征的微观悬臂结构是获得超疏油表面的有效方法。但现有制备方法普遍存在工艺流程复杂、成本较高等缺点,且无法应用于常用的工程金属材料上。因此本文提出将微观悬臂结构分为底部微柱结构和顶端悬臂结构两部分,通过激光加工和电化学沉积的组合工艺进行制备。采用纳秒激光在紫铜片上制备出微柱阵列,经低表面能处理后,通过液-气界面可调控的电化学沉积制备出顶端悬臂结构。同时探究了激光加工参数对微柱结构尺寸的影响,微柱结构阵列的润湿性、电化学沉积过程中两电极间的电场分布、液-气界面形状对微观悬臂结构生长方向的影响,电化学沉积参数对悬臂结构尺寸的影响以及微观悬臂结构尺寸参数对其润湿性的影响。通过纳秒激光加工获得的紫铜微柱结构阵列经过降低表面能处理后对水的接触角为161°,微柱高度随激光功率P增大而增大、随扫描速率v、频率f以及线间距d增大而逐渐降低,微柱结构的锥度基本保持一致。采用仿真软件COMSOL对电化学沉积过程中两电极间电场进行分析,仿真结果表明电化学沉积过程中电场线在微柱结构顶部边缘处分布更为集中,边缘处电流密度较大。在沉积初始阶段,悬臂结构沉积速度较快,随着沉积进行,顶端悬臂结构直径增长速度降低。通过调控液-气界面形状获得了5°-59°不同局部几何角度的微观悬臂结构,通过控制沉积参数可以获得不同顶端直径的悬臂结构。经过降低表面能处理的微观悬臂结构阵列对水接触角达到160°,对花生油接触角达到158°。即使当顶端悬臂结构直径为70μm,中心距为240μm的极端条件下该结构依然具有超疏油性。进一步减小顶端悬臂结构直径和增大阵列中心距不利于其超疏油性。
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