一种耐磨性增强的锥形阵列结构及飞秒激光制备方法

本发明为微纳结构制造，具体涉及一种耐磨性增强的锥形阵列结构及飞秒激光制备方法。

背景技术：

1、宏观制造技术改变了世界，而微纳制造技术的出现，使得材料表面的功能得以扩展，通常在宽频吸波(抗反射)、超疏水防结冰、防污以及雾水收集等方面有着广泛的应用。这些表面结构主要包括微纳米团簇和各种排列规律的阵列结构等，然而，这些结构常常存在耐磨性不足的缺陷。近年，研究表明虽然锥形阵列结构使得耐磨性得到一定程度的改善(和纳米级和微米级团簇结构相比)，但是要长时间应付实际的复杂工作环境依然是一个巨大的挑战。

2、由于无掩膜、环境友好、极小的热影响区、加工精度高的特点，飞秒激光在制备锥形阵列结构方面(如申请号cn201810316726.4、名称为一种纳米结构三维分布的超双疏金属表面及其制备方法)有着无与伦比的优势(效率高、环境友好、灵活可控)，就激光加工锥形阵列结构来说，激光的扫描路径通常是等间距的栅格式扫描，这种扫描路径制备出来的锥形结构，往往是等高的，当经过砂纸磨损后，通常会使得锥形结构的顶端被磨平，这种缺陷会增大固液接触面积，因此减弱超疏水性，同时也会使得抗反射性能变差。因此，如何在飞秒激光加工优势的基础上制备出耐磨性增强的锥形结构，对于提升其应用稳定性有着重要意义。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种耐磨性增强的锥形阵列结构及飞秒激光制备方法，采用不等间距的栅格扫描方式，在间隔较小栅格处形成类似于等间距间隔栅格式扫描所制备出来的锥形结构，而在间距较大的栅格处形成另外一种高度较高的锥形结构，高锥形结构可降低低锥形阵列结构被破坏的程度。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

3、一种耐磨性增强的锥形阵列结构，包括基底材料表面设有的不等间距的锥形阵列，在间隔较小处形成一个低等间距锥形阵列结构，在间距较大处形成另一种高锥形阵列结构，即在若干个低锥形阵列结构之间分布着一个高锥形结构，高锥形结构提供力学支撑和磨损补偿。

4、一种耐磨性增强的锥形阵列结构的飞秒激光制备方法，包括以下步骤：

5、1)预处理：

6、1.1)根据实际功能应用和技术工况需求选择所需的基底材料；

7、1.2)对基底材料进行抛光处理使得表面呈现光滑纹理；

8、1.3)对基底材料进行超声波浴清洗，同时利用氮气进行干燥处理；

9、2)耐磨性增强的锥形结构表面的制备：

10、2.1)依据工况加工制造需求进行飞秒激光微纳加工制造光学系统的初步调整，包括光路传输的准直与校正、相关加工制造激光参数(重复频率以及单脉冲能量等)的调整与设计；

11、2.2)通过飞秒激光微纳加工制造光学系统的集成控制交互界面进行功能结构加工路径轨迹设计与规划；

12、2.3)将基底材料表面放置在加工后端且处于激光光束的焦平面上；

13、2.4)待飞秒激光微纳加工完毕后，用清洁气吹清洁织构表面残余烧蚀残渣；

14、2.5)将加工完后的微纳结构清洗，之后用氮气进行干燥处理。

15、所述的基底材料选择航空航天金属以及其合金。

16、所述的耐磨性增强指的是当激光织构化表面被磨损后仍有良好的结构特征存在，这与经过磨损后的等高锥形阵列结构的特征具有明显的差异。

17、所述的加工路径轨迹为不等间距栅格式，不等间距栅格式扫描制备的锥形阵列结构在一定位置呈现出不同的高度，通过改变不等间距栅格式扫描中的路径特征的分布，灵活控制较高高度锥形结构的分布。

18、与现有的技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

19、首先，本发明的微纳结构是采用飞秒激光加工系统制备，具有精细可控的加工优势，且整个加工过程不会产生化学废弃物，绿色环保。其次，本发明所提出的耐磨性增强的锥形结构在保证了其功能性优势(抗反射、超疏水性自清洁和防污等)，还提供了耐磨性补偿结构，当表面受到外界的磨损外，可以牺牲高度较高的锥形结构，从而保证其他高度的锥形结构不被破坏，具有性能和稳定性的统一优势。

技术特征：

1.一种耐磨性增强的锥形阵列结构，其特征在于：包括基底材料表面设有的不等间距的锥形阵列，在间隔较小处形成一个低等间距锥形阵列结构，在间距较大处形成另一种高锥形阵列结构，即在若干个低锥形阵列结构之间分布着一个高锥形结构，高锥形结构提供力学支撑和磨损补偿。

2.权利要求1所述的一种耐磨性增强的锥形阵列结构的飞秒激光制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，制备前进行预处理，具体为：

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的基底材料选择航空航天金属以及其合金。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的耐磨性增强指的是当激光织构化表面被磨损后仍有良好的结构特征存在。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的加工路径轨迹为不等间距栅格式，不等间距栅格式扫描制备的锥形阵列结构在一定位置呈现出不同的高度，通过改变不等间距栅格式扫描中的路径特征的分布，控制高锥形结构的分布。

技术总结一种耐磨性增强的锥形阵列结构及飞秒激光制备方法，包括基底材料表面设有的不等间距的锥形阵列，在间隔较小处形成一个低等间距锥形阵列结构，在间距较大处形成另一种高锥形阵列结构，即在若干个低锥形阵列结构之间分布着一个高锥形结构，高锥形结构提供力学支撑和磨损补偿；制备方法采用飞秒激光制备；本发明所提出的耐磨性增强的锥形结构在保证了其功能性优势，还提供了耐磨性补偿结构，当表面受到外界的磨损外，可以牺牲高度较高的锥形结构，从而保证其他高度的锥形结构不被破坏，具有性能和稳定性的统一优势。技术研发人员：王文君,胡磊,梅雪松,潘爱飞,黄灵霞,李臣勇受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/1/22