激光表面织构对低附着力超疏水铝合金表面的影响

江苏激光联盟导读：

通过激光加工，制备了具有微槽阵列的铝合金表面，并显示出超疏水性。

制备的表面显示出优异的抗粘附性能和潜在的自清洁性能。通过测量水接触角，研究了所制备表面的润湿性。表面形貌和化学成分分别通过扫描电子显微镜和X射线光电子能谱进行表征。激光处理成功地将表面的润湿性从亲水性改为超疏水性。水接触角增加至155°，滑动角减少至<5°，无任何化学改性。表面上的水滴几乎以完全悬浮的状态存在，类似于Cassie状态。超疏水表面在外挤压条件下表现出良好的稳定性。这种简单且廉价的改性方法有望在扩大铝合金应用方面发挥重要作用。

1.简介：润湿性是固体材料的固有特性，通常与接触角和滑动角有关。如果一个表面的接触角大于150°，滑动角小于10°，则该表面被视为超疏水表面。超疏水表面由于其在许多行业中的实际重要性而成为越来越多的研究对象。它们的潜在用途包括自清洁、防粘附、防结冰、防水、微流体减阻和防腐蚀。天然表面的润湿性差异很大，这取决于其几何结构和化学成分。近年来，已经开发了许多制备超疏水表面的技术，如化学蚀刻、电沉积、流镀、溶液浸泡、干涉光刻和高速线切割电火花加工（HS-WEDM）加工。然而，大多数方法都受到技术复杂性和昂贵设备需求的限制，这大大增加了最终生产成本。因此，开发一种简单、经济的方法是一个重要但困难的挑战。

在这项研究中，我们成功地在铝合金上制备了超疏水表面。最初的疏水结构通过简单有效的激光技术成功地改性为超疏水结构，无需任何化学修饰。超疏水表面表现出优异的低粘附性能和显著的抗应力稳定性。

2.实验特征

通过扫描电子显微镜（SEM，COXEM-30）和共焦激光扫描显微镜（CLSM；LEXT-OLS3000）观察铝合金表面的形态。表面化学成分通过X射线光电子能谱（XPS，SPECS XR50）检测。通过静态接触角和滑动角确定表面的润湿性，使用接触角计（Data Physical OCA15 Pro）在室温下测量静态接触角和滑动角，水滴体积为4μL。

图1激光加工原理图。

3.结果和讨论

3.1.表面形态：水稻叶片表面的接触角和微观结构如图2a和b所示。水稻叶片表面的接触角约为150°。从图2b可以看出，水稻叶片表面由许多均匀分布的微尺度槽型结构和突起组成。最近邻槽之间的距离一般在20-30μm之间，微突起的直径约为4-20μm。微突起和槽赋予水稻叶片超疏水特性。这与疏水表面通常与几何微结构和表面粗糙度有关的知识是一致的。制备的铝表面的SEM图像如图2c所示。表面覆盖着多个凹槽结构，相邻凹槽中心之间的距离约为48μm，每个凹槽的宽度为35–40μm。许多折叠结构也分布在表面上，因此表面粗糙度显著增加。单槽结构如图2d所示。从这张照片可以清楚地看出，凹槽表面覆盖着微米和亚微米大小的晶粒，晶粒直径为0.8–5.2μm。

图2水稻叶片表面和铝合金超疏水表面的形态

a 稻叶上水滴的照片

b 水稻叶片的SEM图像

c-e 制备样品的沟槽结构的SEM图像

f 样品的CLSM得到的三维图像

扫描激光束传输的强大能量在合金表面上产生了温度的立即跃升。这导致表面形成路肩，周围是重新沉积的材料区域。由此产生的表面呈现出无数波浪状层压结构的微观结构，规则地排列在凹槽内壁上。槽隙的高度由溅射颗粒的堆积决定，如图2e所示。颗粒在表面上密集分布。这种粗糙结构能够捕获大量空气，从而显著减少水滴与表面之间的实际接触面积，从而防止水滴润湿固体表面。CLSM获得了超疏水表面形态的更直观图像（图2f）。制备表面的3D形态呈现出均匀的凹槽，在图中清晰可见。凹槽的上边缘覆盖着许多锥形突起。每个凹槽的深度约为20μm。

3.2. 化学成分:超疏水表面和超亲水表面的化学成分通过XPS检测。超亲水表面和超疏水表面的XPS测量光谱如图3所示，显示了C、O、Si和Al的存在。在超亲水表面（图3a）的XPS光谱中，C1s在284.57 eV处和Si2p在101.7 eV处的强峰，以及在超疏水表面（图3c）的XPS光谱中，C1s在283.86 eV处和Si2p在101.16 eV处的强峰分别可见。与初始铝合金基体相比，激光处理使超疏水表面的C和Si含量降低，但超疏水表面的C含量显著降低，Si含量增加。这意味着在超疏水表面上形成二氧化硅薄膜。通过激光加工制造的样品在空气中放置一段时间后，由于样品与空气之间的接触，可以在样品表面形成二氧化硅薄膜，并且表面能降低。随着在空气中裸露时间的增加，表面能不断降低，使液滴与样品表面的接触状态转变为Cassie理论模型。考虑到已知具有薄薄膜的微结构可以稳定Cassie态，预计这将增强粗糙基底的疏水性。

图3样品表面的XPS光谱

a超亲水表面的测量光谱

b超亲水表面的Si2p光谱

c超疏水表面测量光谱

d超疏水表面Si2p光谱

3.3.润湿性调整：通过测量水接触角来确定制备表面的润湿性。获得的结果如图4所示。研究了激光加工新制备表面的接触角∼0°，表示完全亲水性（图4a）。

图4制备样品的水CA和SA，以及表面水滴的照片

a CA≃ 0°（新准备）

b CA=155°（在空气中储存30天）

c SA≃ 4.7°

d放置在表面上的水滴

显微镜下粗糙的结构使得水滴和固体表面之间有很大的实际接触面积。因此，超亲水表面的粗糙度增加了它们的润湿性。我们还评估了放置在空气中30天的样品表面的接触角。接触角增加到154.5±1.5°，滑动角为4.5±1.1°。这表明充气表面不仅具有更大的超疏水性，而且对水的粘附性更低（图4b和c）。图4d中的照片清楚地显示了表面上水滴的形态，呈现出完美的球形状态。

对水滴的行为进行了测试，以响应表面上的压缩变形，如图5所示。水滴在初始（未压缩）状态下保持其形状，如图5a所示。当水滴上升并与上面的固体表面接触时，最初没有明显的变形（图5b）。然而，随着水滴进一步上升到越来越窄的空间，其形态的变形变得越来越明显（图5c和d）。在最大变形时刻，水滴保持在原位2秒（图5d）。当水滴从上部固体表面移除时，它几乎完全恢复了最初的形状（图5e-h）。表面润湿性不受外界应力的影响。同时，还发现液滴加载前后接触角几乎没有变化，仅减小了约1.1°。在施加的压力下，水向下渗透到凹槽中。然而，内部微观结构捕获的空气阻止了水的完全过滤。正如Cassie模型所预测的那样，液体和固体之间的接触发生在表面突起的顶部。捕获的空气袋限制了液体的过滤。因此，所制备的粗糙表面的润湿状态可被视为模型Cassie状态。超疏水表面在外加压力下表现出良好的稳定性。

图5试样表面水滴压缩试验的照片序列

a 初始状态

b–d压缩状态

e–g减压（从上表面移除）

最终状态

4. 结论:总之，我们通过激光加工在铝合金基板上制备了超疏水表面。表面润湿性由亲水变为超疏水，无需任何化学改性。超疏水表面排斥水滴，水滴不粘，轻轻倾斜就能轻易滑出表面。所制备的表面具有优异的抗粘着性能和潜在的自清洁性能。此外，表面的超疏水性增强了其在施加压力下的稳定性，表面的水滴保持悬浮状态，处于模型Cassie状态。该改性方法效率高，技术简单，具有广泛的实际应用潜力。

来源：Micro Nano Letters - 2018 - Li - Influence of laser surface texturing on a low‐adhesion and super hydrophobic aluminium