【摘 要】
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利用飞秒或皮秒激光在材料表面制备微织构,强化材料表面疏水性能获得超疏水表面,是近年来超快激光加工技术研究的热点之一。由于该表面具有自清洁、耐腐蚀、减阻、油水分离及防结冰等诸多优异性能,已广泛应用于新能源、微电子、医疗卫生及航空航天等领域。在激光刻蚀过程中,材料表面有时会因重铸层影响表面质量,而在激光辅助电化学刻蚀过程中,激光会与电介质相互作用,增强刻蚀特性,提高反应速率,几乎无重铸层产生。本文分别
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利用飞秒或皮秒激光在材料表面制备微织构,强化材料表面疏水性能获得超疏水表面,是近年来超快激光加工技术研究的热点之一。由于该表面具有自清洁、耐腐蚀、减阻、油水分离及防结冰等诸多优异性能,已广泛应用于新能源、微电子、医疗卫生及航空航天等领域。在激光刻蚀过程中,材料表面有时会因重铸层影响表面质量,而在激光辅助电化学刻蚀过程中,激光会与电介质相互作用,增强刻蚀特性,提高反应速率,几乎无重铸层产生。本文分别采用皮秒激光刻蚀法和皮秒激光辅助电化学复合刻蚀法,在2024铝合金表面刻蚀制备微织构,从材料表面微织构出发研究其疏水性能变化,制备超疏水表面。论文主要研究内容如下:1.研究了激光刻蚀原理与激光辅助电化学复合刻蚀原理。分析了复合刻蚀过程中激光对工件热-力效应,电化学反应对工件的光整效应以及激光与电解液的耦合作用。2.搭建了激光辅助电化学复合刻蚀实验平台,并介绍了激光刻蚀系统与激光辅助电化学刻蚀系统的组成部分。确定了实验试剂、复合刻蚀系统的阴阳极材料、电解液成分及配比。3.采用激光刻蚀法在2024铝合金表面制备微织构。研究了单脉冲能量、扫描次数、扫描速度和激光重复频率对表面微织构形貌和表面接触角的影响。采用响应面法建立回归模型,分析得出各工艺参数对表面接触角的影响因素排序由大到小依次为:单脉冲能量、扫描次数、激光重复频率、扫描速度;以表面接触角最大为目标,优化后的工艺参数组合为:单脉冲能量14μJ、扫描次数7次、扫描速度650 mm/s,激光重复频率2.2×10~6Hz。在该参数组合下,可在微织构表面获得较高质量的具有多级尺度的微米级结构,辅以硬脂酸修饰,其表面接触角可达150.3°。4.采用激光辅助电化学复合刻蚀法在2024铝合金表面制备微织构。研究了电解液浓度、单脉冲能量、电流、激光扫描次数对表面微织构形貌、表面粗糙度和表面接触角的影响。利用响应面法建立预测模型,响应面表明,电解液浓度与单脉冲能量、电解液浓度与电流、单脉冲能量与扫描次数对表面粗糙度的交互作用显著;电解液浓度与单脉冲能量、电解液浓度与电流、单脉冲能量与电流对表面接触角的交互作用显著;各工艺参数对表面粗糙度的影响因素排序由大到小依次为:单脉冲能量、电解液浓度、扫描次数、电流,对表面接触角的影响因素排序由大到小依次为:单脉冲能量、扫描次数、电解液浓度、电流;表面接触角最大的最优工艺参数为:电解液浓度2.0 mol/L、单脉冲能量20μJ、电流18 m A、扫描次数15次。在该参数组合下,微织构表面形成了大量均匀的具有多级尺度的微米级结构,辅以硬脂酸修饰,其表面接触角最大可到157.7°,疏水性能优异。研究结果表明,对比激光刻蚀法,由复合刻蚀法得到的超疏水表面进一步提高了表面接触角,其微织构表面的具有多级尺度的微米级结构整体高度更低,数量更多,分布更为密集且均匀,且几乎无重铸层产生,使得空气可以更加充分进入,进一步增强表面疏水性能。
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