皮秒激光加工的微织构对碳化硅润湿性的影响

为改善碳化硅的表面润湿性能,本研究利用脉冲激光加工表面处理和化学改性分别改善了碳化硅的表面形貌和表面能。实验选用皮秒激光加工方式构造表面微织构,利用激光共聚焦显微镜分析了微织构的微观形貌,并进一步分析了烧蚀形态与激光自身特性和加工参数之间的联系。研究发现,激光加工效果以烧蚀为主,重熔为辅,而由于碳化硅烧蚀阈值和激光能量在光斑中的高斯分布特性,形成的微织构的烧蚀凹槽呈倒三角形。此外,选用的氟硅烷修饰剂使碳化硅表面从亲水表面转变为疏水表面;通过改变加工参数获得不同微织构并进行氟硅烷修饰后,碳化硅表面接触角最大提高到157°,达到了超疏水效果。为了进一步探讨微织构对疏水性的影响原理,提出了一个基于实际形貌参数的固液接触角模型。该模型阐释了接触角随微织构特征参数变化的机制,固、气、液两两之间的接触面积影响了表面润湿性,这为寻找具有最佳疏水性能的微织构提供了新的理论指导。

皮秒激光加工制备钛酸锶单晶超亲水表面

报道了一种通过皮秒激光加工快速制备钛酸锶(SrTiO3)单晶超亲水表面的方法。室温下,采用皮秒激光加工系统,在SrTiO3单晶表面刻蚀出整齐的周期性线排列沟槽结构,使SrTiO3单晶表面浸润性向亲水方向转变。研究了不同划线间隔对表面接触角大小的影响。结果表明:接触角的大小随划线间隔的变化而变化,间隔越大,接触角越大;当沟槽间隔小于150μm时,得到超亲水表面。其机理是:根据Wenzel模型,增大表面粗糙度可以使表面浸润性向亲水方向转变;并且沟槽结构产生了虹吸现象,也增强了亲水性。

皮秒激光织构化PCD复合片表面组织结构的研究

采用皮秒激光多道次扫描PCD表面获得两种不同深度的槽型表面织构,即CG50和CG150。采用立体光学显微镜、轮廓仪、场发射扫描电镜、拉曼光谱仪等表征样品的表面形貌、组织结构、化学键合结构和表面金刚石相质量R。结果表明皮秒激光加工PCD表面沟槽织构导致表面疏松,粗糙度增加。虽然CG50织构的表面化学成分与未经织构加工的PCD一致,但CG150的表面碳含量急剧下降,Co大幅度上升。皮秒激光织构化过程导致PCD表面石墨化,且织构不同位置处石墨化程度有差异:槽底和槽壁发生相对严重的石墨化。CG150织构的顶部R值达到13.91,甚至超过未经织构加工的PCD样片的R值11.27。

TC4钛合金表面微织构干摩擦特性

为改善TC4钛合金表面摩擦学性能,采用皮秒紫外激光技术在TC4钛合金表面加工了3种形状的微织构。使用多功能摩擦磨损试验机研究了织构化TC4钛合金在多接触条件下的摩擦学特性,并采用显微硬度仪、扫描电镜、激光共聚焦显微镜对织构化TC4钛合金的表面硬度、表面粗糙度、磨痕三维轮廓和磨痕形貌等进行分析。结果表明,织构化TC4表面硬度提升约60%,其中三角形凹坑织构表面综合硬度最高;微织构能有效降低TC4表面接触过程的摩擦系数,其中圆形与矩形织构摩擦系数最低,较无织构表面减少约10%;微织构能捕获磨屑,减少磨粒磨损,提高耐磨性能,相同接触条件下,织构化试样磨损量减少了50%;当载荷一定时,速度增加可使织构化TC4表面摩擦系数降低;当摩擦速度一定时,载荷降低可导致织构化TC4表面摩擦系数降低。本研究可为提升钛合金表面摩擦学性能提供研究思路,减少钛合金因摩擦磨损造成的损失与事故。

皮秒激光制备超疏水聚四氟乙烯表面及其水下全反射研究

在室温空气条件下,利用1064nm皮秒激光加工系统在聚四氟乙烯(PTFE)表面加工出平均缝宽为25μm、壁厚为25μm、深度为75μm的沟槽阵列和边长为30μm、缝宽为25μm、高度为43μm的柱状阵列。加工后的聚四氟乙烯表面静态接触角达到167°,为超疏水表面。将制备出的超疏水聚四氟乙烯完全浸入纯净水中,通过玻璃器皿观察,其超疏水表面在水下出现金属光泽。实验发现,超疏水聚四氟乙烯表面在水下可使以一定角度斜入射的可见光反射光强增加。利用浸润性模型分析该现象出现的原因是超疏水表面在水下发生了全反射。

羰基铁-环氧树脂基吸波材料疏水结构的制备及性能研究

目的改善羰基铁–环氧树脂基电磁波吸收材料在海洋环境中的耐腐蚀性和电磁波吸收性能。方法将皮秒激光加工与微细铣削技术相结合,在羰基铁–环氧树脂复合材料表面制备复合疏水微结构,采用单因素实验分别考察了栅格间距为30、20μm时皮秒激光加工功率、扫描速度、扫描次数对所制备表面结构接触角的影响规律,采用扫描电子显微镜对激光加工后的结构形貌进行分析,筛选出疏水性能较好的激光加工参数;选用不同直径的微细铣刀对所筛选的激光参数加工后的表面进行微细铣削,得到复合疏水结构,并采用共聚焦显微镜和光学显微镜观察复合结构的形貌,根据复合结构的疏水性能和加工效率,筛选合适的微细铣刀直径。通过耐腐蚀性能测试对比未处理试样、仅经过皮秒激光加工后试样、仅经过微细铣削加工后试样及复合加工后试样在质量分数为5%的NaCl溶液中的耐腐蚀能力,采用矢量网络分析仪对比各结构的电磁波吸收能力。结果当激光加工的栅格间距为20μm,激光功率为3.5 W,激光扫描速度为1000 mm/s,扫描次数为5时,所得到的表面微结构静态水接触角达到143°;在该表面上使用直径200μm的微细铣刀得到的复合结构接触角达到137.5°,且加工效率较高。实验结果表明,仅经过皮秒激光加工和复合加工均能改善材料的耐腐蚀性能,使材料在NaCl(5%)溶液中浸泡5 d也无明显腐蚀痕迹,还能减少材料表面羰基铁的流失,延长材料的使用寿命。此外,复合结构对改善材料吸波性能的效果较好,可将吸波材料的最大反射损耗从–36.5 dB提升至–45.2 dB。结论通过皮秒激光加工和微细铣削组合加工在羰基铁–环氧树脂基吸波材料表面制备的复合疏水结构可以改善其在海洋环境中的耐腐蚀性,并提升其电磁波吸收能力。