CN110340536B - 一种激光处理制备防污减阻材料的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光加工技术领域，公开了一种激光处理制备防污减阻材料的方法及装置，装置主要包括皮秒激光发射组件、飞秒激光发射组件及扫描聚焦组件，飞秒激光发射组件用于发射飞秒激光，使待处理材料表面形成具有超疏水性能的微纳混合结构；皮秒激光发射组件用于发射皮秒激光，使该待处理材料表面形成超亲水区域。本发明通过对装置中各组件的结构及其设置方式，及相应处理方法等进行改进，利用皮秒激光与飞秒激光的综合作用形成超亲水‑超疏水(或亲水‑超疏水、疏水‑超疏水)材料表面形貌，实现复合浸润性，能够减小待处理材料在水中的阻力，同时起到防污作用，能够有效解决传统电化学腐蚀方法无法实现复合浸润性的微纳结构及环境污染大等问题。
Description
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，更具体地，涉及一种激光处理制备防污减阻材料的方法及装置，能够实现表面防污减阻材料的制备。
背景技术
随着对水下航行器性能要求的提高及对环境保护的重视，航行器水下航行中的污染和摩擦损耗越来越受到人们的重视，如何防污减阻也逐渐变成了一个热门项目。防污减阻研究的目的在于降低航行器在水中运动时所受到的污染和摩擦阻力，减少能源消耗，提高航行体的航速以及使用寿命。目前，各种防污减阻理论和方法不断涌现，其中利用具有特殊浸润性的材料作防污减阻材料尤其受到关注。具有特殊浸润性的材料主要指超疏水和超亲水材料，这两种功能材料在防污减阻方面均具有各自的优势和缺陷。超疏水材料是利用其自身的疏水特性，在固液接触面之间充斥着大量的气体，减小固液接触面，并利用气液摩擦远远小于固液摩擦特点，来减小摩擦阻力，从而即达到防污，又具有减阻效果的目的。但是另一方面，超疏水材料的斥水作用也会导致液体的提前分离，引起激波，增大压差阻力，甚至在某种条件下会导致总阻力增大。而对于超亲水材料，尽管由于其对水的吸附作用会增大物体所受的摩擦阻力和吸附污渍，但由于其亲水特性能够很好的稳定流场，在特殊条件下反而有利于总阻力的降低效果。由于单纯的超亲水或超疏水材料均具有各自的优势以及局限性，因此，如何发挥这两种功能材料的各自优势并抑制各自缺点，将二者优势有机地结合起来，形成一种既要保证减小水与结构物的接触面积，又要保持流场的稳定，水与结构物不能完全分离的亲疏水复合浸润性能的微纳结构，从而获得既能防污，又能减阻的功效，是解决这个问题的技术瓶颈。
在材料表面上实现特殊浸润性能的结构通常是由微/纳混合结构制备而成，而传统方法制备特殊浸润性材料主要是通过电化学腐蚀的方式。电化学腐蚀方法由于制备精度差，分辨率低，因而只能对材料表面进行单一浸润性性处理，无法产生所需亲疏水复合浸润性的微纳结构。此外，这种电化学腐蚀的方法还会产生大量的化学废料，排放会对环境造成污染。因此，如何制备具有亲疏水复合浸润性能的微纳结构，是解决这个问题的另一个技术瓶颈。
发明内容
针对以上现有技术的缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种激光处理制备防污减阻材料的方法及装置，通过对装置中各组件的结构及其设置方式，处理方法的整体流程工艺设计等进行改进，利用皮秒激光与飞秒激光的综合作用形成超疏水与超亲水相间的材料表面形貌(即，超亲水-超疏水表面形貌；当然也可以形成亲水-超疏水、或疏水-超疏水)，与现有技术相比能够有效解决传统电化学腐蚀方法无法实现超亲水-超疏水复合浸润性的微纳结构、以及环境污染大等问题。利用本发明中的装置及方法，能够例如将超疏水性能结构与超亲水性能结构以一定的排列组合方式制备在同一材料表面上，形成一种复合浸润性的防污减阻功能材料，既保留超疏水材料的斥水特性，保持防污以及良好的摩擦减阻能力，又能够利用超亲水材料的亲水特性，稳定流场，最终实现高效、稳定的防污减阻表面功能。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种激光处理制备防污减阻材料的装置，其特征在于，包括皮秒激光发射组件、飞秒激光发射组件、扫描聚焦组件以及载物工作台，其中，所述载物工作台用于放置待进行防污减阻处理的待处理材料(10)；
所述飞秒激光发射组件包括飞秒激光器(1)及与该飞秒激光器(1)配合使用的第一扩束准直镜(3)，该飞秒激光器(1)用于发射飞秒激光束，该飞秒激光束经过所述第一扩束准直镜(3)及导光镜(5，6)入射到所述扫描聚焦组件，并经过所述扫描聚焦组件聚焦到所述待处理材料(10)上，用于对该待处理材料(10)进行飞秒激光扫描刻蚀加工处理使该待处理材料(10)表面形成满足超疏水性能需要的微纳混合结构(20)；
所述皮秒激光发射组件包括皮秒激光器(2)及与该皮秒激光器(2)配合使用的第二扩束准直镜(4)，该皮秒激光器(2)用于发射皮秒激光束，该皮秒激光束经过所述第二扩束准直镜(4)及导光镜(5，6)入射到所述扫描聚焦组件，并经过所述扫描聚焦组件聚焦到所述待处理材料(10)上，用于对该待处理材料(10)进行皮秒激光扫描加工修饰处理使该待处理材料(10)表面形成疏水区域或亲水区域或超亲水区域；
利用飞秒激光束或皮秒激光束对待处理材料(10)的单一处理，或者利用飞秒激光束及皮秒激光束对待处理材料(10)的综合处理，能够使待处理材料(10)表面形成疏水与超疏水相间的疏水-超疏水形貌，或者形成亲水与超疏水相间的亲水-超疏水形貌，或者形成超亲水与超疏水相间的超亲水-超疏水形貌，进而减小该待处理材料(10)在水中的阻力，同时起到防污作用。
作为本发明的进一步优选，所述飞秒激光发射组件和所述皮秒激光发射组件共用一对导光镜(5，6)，记这一对导光镜(5，6)分别为第一导光镜(5)和第二导光镜(6)，激光束依次经过所述第一导光镜(5)和所述第二导光镜(6)入射到所述扫描聚焦组件，通过调整所述第一导光镜(5)能够实现所述扫描聚焦组件是接入飞秒激光束光路还是接入皮秒激光束光路的切换；
优选的，所述扫描聚焦组件包括扫描振镜、扫描场镜和Z轴移动机构(9)，所述扫描振镜和所述扫描场镜两者配合用于对激光束进行扫描聚焦，所述Z轴移动机构(9)则用于带动所述扫描振镜和所述扫描场镜沿Z轴方向整体移动以控制激光束聚焦点在Z轴方向上的位置；
优选的，所述Z轴移动机构(9)还用于带动所述第二导光镜(6)沿Z轴方向同步移动。
作为本发明的进一步优选，所述飞秒激光器(1)与所述皮秒激光器(2)两者的激光出射口相对设置；
所述载物工作台具体为三维工作台，用于放置并带动所述待处理材料(10)移动，调整所述待处理材料(10)的空间位置；
在所述载物工作台的上方还设置有吸尘管道(12)和保护气嘴(13)，其中，所述吸尘管道(12)用于除去所述待处理材料(10)激光处理过程产生的废弃物，所述保护气嘴(13)则用于向所述待处理材料(10)表面传送保护气体。
按照本发明的另一方面，本发明提供了一种激光处理制备防污减阻材料的方法，其特征在于，该方法以非疏水性、且非亲水性的非亲非疏材料为待处理对象，具体包括以下步骤：
(1)飞秒激光扫描刻蚀处理：利用飞秒激光对所述待处理对象进行飞秒激光扫描刻蚀加工处理，使该待处理对象表面形成满足超疏水性能需要的微纳混合结构；
(2)超疏水表面的形成：在经过所述步骤(1)处理后的所述待处理对象其微纳混合结构表面沉积低表面能材料，从而使该待处理对象表面形成超疏水性能表面；其中，所述低表面能材料其表面自由能低于水的表面自由能；
(3)皮秒激光扫描修饰处理：利用皮秒激光对所述待处理对象的所述超疏水性能表面进行皮秒激光扫描加工修饰处理，使所述待处理对象表面形成疏水区域或亲水区域或超亲水区域，由此使所述待处理对象表面最终形成疏水与超疏水相间的疏水-超疏水形貌，或者形成亲水与超疏水相间的亲水-超疏水形貌，或者形成超亲水与超疏水相间的超亲水-超疏水形貌，进而减小该待处理对象在水中的阻力，同时带来防污效果，从而制备得到防污减阻材料。
按照本发明的又一方面，本发明提供了一种激光处理制备防污减阻材料的方法，其特征在于，该方法以疏水性材料为待处理对象，具体包括以下步骤：
(1)飞秒激光扫描刻蚀处理：利用飞秒激光对所述待处理对象进行飞秒激光扫描刻蚀加工处理，使该待处理对象表面形成具有超疏水性能的微纳混合结构，该具有超疏水性能的微纳混合结构即超疏水性能表面；
(2)皮秒激光扫描修饰处理：利用皮秒激光对所述待处理对象的所述超疏水性能表面进行皮秒激光扫描加工修饰处理，使所述待处理对象表面形成疏水区域或亲水区域或超亲水区域，由此使所述待处理对象表面最终形成疏水与超疏水相间的疏水-超疏水形貌，或者形成亲水与超疏水相间的亲水-超疏水形貌，或者形成超亲水与超疏水相间的超亲水-超疏水形貌，进而减小该待处理对象在水中的阻力，同时带来防污效果，从而制备得到防污减阻材料。
按照本发明的再一方面，本发明提供了一种激光处理制备防污减阻材料的方法，其特征在于，该方法以亲水性材料为待处理对象，具体包括以下步骤：
(1)飞秒激光扫描刻蚀处理：利用飞秒激光对所述待处理对象进行飞秒激光扫描刻蚀加工处理，使该待处理对象表面形成满足超疏水性能需要的微纳混合结构；
(2)超疏水表面的形成：在经过所述步骤(1)处理后的所述待处理对象其微纳混合结构表面沉积低表面能材料，从而使该待处理对象表面形成超疏水性能表面；其中，所述低表面能材料其表面自由能低于水的表面自由能；
(3)皮秒激光扫描修饰处理：利用皮秒激光对所述待处理对象的所述超疏水性能表面进行皮秒激光扫描加工修饰处理，使所述待处理对象表面形成疏水区域或亲水区域或超亲水区域，由此使所述待处理对象表面最终形成疏水与超疏水相间的疏水-超疏水形貌，或者形成亲水与超疏水相间的亲水-超疏水形貌，或者形成超亲水与超疏水相间的超亲水-超疏水形貌，进而减小该待处理对象在水中的阻力，同时带来防污效果，从而制备得到防污减阻材料。
作为本发明的进一步优选，所述疏水区域具体为疏水点、疏水线或疏水面；所述亲水区域具体为亲水点、亲水线或亲水面；所述超亲水区域具体为超亲水点、超亲水线或超亲水面。
按照本发明的又一方面，本发明提供了一种激光处理制备防污减阻材料的方法，其特征在于，该方法以疏水性材料为待处理对象，具体包括以下步骤：
飞秒激光扫描刻蚀处理：利用飞秒激光对所述待处理对象进行飞秒激光扫描刻蚀加工处理，使该待处理对象表面形成具有超疏水性能的微纳混合结构，该具有超疏水性能的微纳混合结构即超疏水性能表面；
而未加工的表面则仍表现为疏水性；通过设计疏水面与超疏水面的组分以及排列方式，得到符合预期设定的疏水、超疏水图案，或通过在加工区超疏水区域中预留出一定分布的疏水区域，由此使所述待处理对象表面最终形成超疏水与疏水相间的形貌，进而减小该待处理对象在水中的阻力，同时带来防污效果，从而制备得到防污减阻材料。
按照本发明的再一方面，本发明提供了一种激光处理制备防污减阻材料的方法，其特征在于，该方法以亲水性或非亲非疏材料为待处理对象，具体包括以下步骤：
飞秒激光扫描刻蚀处理：利用飞秒激光对所述待处理对象进行飞秒激光扫描刻蚀加工处理，在材料表面预先选定的区域上形成微纳结构后，利用低表面能试剂对材料表面整体进行处理，使该待处理对象表面形成具有超疏水性能的微纳混合结构，该具有超疏水性能的微纳混合结构即超疏水性能表面；其中，所述低表面能材料其表面自由能低于水的表面自由能；
而未经飞秒激光加工的表面区域由于所述低表面能试剂的作用表现为疏水性；通过设计疏水面与超疏水面的组分以及排列方式，得到符合预期设定的疏水、超疏水图案，或通过在加工区超疏水区域中预留出一定分布的疏水区域，由此使所述待处理对象表面最终形成超疏水与疏水相间的形貌，进而减小该待处理对象在水中的阻力，同时带来防污效果，从而制备得到防污减阻材料。
作为本发明的进一步优选，所述疏水区域具体为疏水点、疏水线或疏水面。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，为制备特殊复合浸润性的防污减阻功能材料提供了一种新思路，相应方法及装置，利用超快激光(皮秒激光和飞秒激光)加工具有高效率、高精度、高分辨率、柔性化程度高、非接触、材料适应性强、清洁无污染等特点，作为激光光源，采用扫描聚焦组件(如三维高速扫描振镜)与载物工作台(如三维工作台)组合对材料表面进行制备，可在材料表面精确控制被加工区域亲、疏水分部比例、形貌、周期以及排列方式，在微观尺度上尤其可以产生有序排列的超亲水结构以及超疏水结构(即，超亲水-超疏水结构；当然，也可能是亲水-超疏水结构、疏水-超疏水结构)，进而形成复合浸润性微纳结构，使该表材料在水下与水既能减小材料表面与水的接触面，又能获得稳定界面流场，引导液体流动，达到防污减阻的应用效果，尤其可应用于对水下航行器的表面处理。
本发明中的处理装置同时包括飞秒激光发射组件和皮秒激光发射组件，飞秒激光发射组件用于发射飞秒激光，利用飞秒激光对待处理材料进行飞秒激光扫描刻蚀加工处理，能够使材料表面形成具有超疏水性能的微纳混合结构；而皮秒激光发射组件用于发射皮秒激光，利用皮秒激光扫描直写修饰处理，能够在材料表面形成具有超亲水区域；因此，利用飞秒激光束及皮秒激光束对待处理材料的综合处理，能够使待处理材料表面形成超疏水与超亲水相间的形貌(当然，也可以利用飞秒激光束或皮秒激光束对待处理材料的单一处理，形成亲水-超疏水结构、疏水-超疏水结构)，进而减小该待处理材料在水中的阻力，同时起到防污作用。并且，针对不同疏水性、亲水性种类的待处理材料，本发明还进一步提供了它们的具体处理方法，确保高效地在待处理材料表面形成超疏水与超亲水相间的形貌、亲水与超疏水相间的形貌、或疏水与超疏水相间的形貌。
相比于超疏水材料的特性，本方法及装置制备的复合浸润性材料具有以下优点：
1.清洁环保无污染：针对传统化学方法制备超疏水材料，本方法利用超快激光对材料表面进行特定方式的扫描，没有任何化学腐蚀工艺，工艺中利用的低表面能试剂，即配即用，故在制备过程中无任何化学废料，制备环境清洁环保，能源利用高效；
2.高效的减阻能力：由于传统超疏水材料的斥水性能，虽然在理论上可以减小固液摩擦力，但是总体上会使液体与固体提前发生脱离，使得压差阻力提升，一定程度上可能会使总阻力增大。而本发明设计制备的复合浸润性材料，利用微米尺度上的亲水点、线或面微纳混合结构，可以起到阻止流体过早脱离的效果，同时还可以利用特殊的分布形式，在微米尺度上优化材料的流体力学特性，得到更好、更稳定的防污减阻效果；
3.灵活可调控：由于超快激光加工高精度和分辨率的特点，并且现有技术已揭示它们具有高智能化的特点，本发明中涉及的制备方法及装备可以根据材料的不同需求做相应调整，即通过精确控制微纳结构的周期，尺度以及分布形式等，得到满足不同特殊性能需求的材料。
4.不受材料限制：由于超快激光的优良特性，只要通过合理调控激光加工参数，便可以针对不同材料进行微纳加工处理(金属、非金属、有机材料等)。如果材料本身即为疏水材料，则仅需激光扫描刻蚀形成微纳混合结构、以及激光扫描直写修饰形成超亲水区域这两步，即可制备得到复合浸润性材料；若材料本身表现为亲水，则可以通过低表面能化学试剂形成低表面能沉积层这一低表面能处理、以及以一定的比例、形貌、周期以及排列方式高速超快激光扫描直写修饰，最终得到复合浸润性材料。针对不同材料只需要调控激光加工参数化，实现“一机多用”。
以超疏水-超亲水形貌为例，由于超快激光扫描精确可控的特性，在超疏水性的基底材料表面上诱导形成的复合浸润性结构具有高度智能可控性，可以通过合理控制超亲水线或面的周期，尺度以及分布形式，最终达到在微米尺度上精确控制超亲疏水微纳结构的走向，进而在微观上控制水中的力学特性，达到减阻的效果；另一方面，又因为材料整体的超疏水处理，使得材料在宏观上表现为超疏水性，故而有很好的防污效果。利用以上所述两方面特性的结合，最终使得材料具有防污减阻的特性。
传统制备超疏水材料的手段主要是化学方法，利用化学方法制备超疏水微结构，其结构精度不高，只能从统计学角度描述微观结构，无法精确控制结构的尺度，形貌以及排列方式等。同时，由于化学方法加工表面时是整个表面进行处理，无法实现亲、疏水的选区加工。而本发明利用超快激光(皮秒激光和飞秒激光)制备具有超亲、疏水材料时，充分利用了超快激光高精度，高可控性的特点，在微米尺度上实现亲、疏水结构的组合，并通过排列组合形成不同的图案，能够实现对水流的引导作用，解决了传统超疏水材料无法实现减阻效果的弊端。
本发明利用超快激光如皮秒或飞秒激光，一方面提供了较高的加工精度，另一方面也避免了热效应的出现；以利用皮秒激光形成超亲水区域为例，皮秒激光具有较高的加工精度，也能避免热效应，同时还能避免加工过程中对非亲水区的影响。本发明利用飞秒激光形成满足超疏水性能需要的微纳混合结构(微纳混合结构，即，存在特征尺度为几微米到几十微米的一级结构，以及特征尺度为几十到几百纳米的二级结构)；当待处理材料本身具备疏水性时，则加工后可直接表现超疏水性(即得到具有超疏水性能的微纳混合结构)；若材料本身不具备疏水性，则可以配合低表面能处理，在待处理材料表面形成具有超疏水性能的微纳混合结构。本发明中的低表面能材料是指理论上表面自由能低于水的表面自由能(72mN/m)的材料，表面能越低，其效果越好；当然，膜层不能破坏原有微纳结构。
附图说明
图1为本发明提供在材料整体表面制备超疏水性能的微纳混合结构装备示意图。
图2为材料整体表面激光制备超疏水性能的微纳混合结构示意图。
图3为在制备超疏水性能的微纳混合结构上喷涂一层低表面能化学试剂薄膜示意图。
图4为本发明提供在材料整体表面制备超亲水性能的微纳混合结构装备示意图。
图5为复合浸润性微纳混合结构形式之一。
图6为复合浸润性微纳混合结构形式之二。
图7为复合浸润性微纳混合结构形式之三。
图中各附图标记的含义如下：1为飞秒激光器，2为皮秒激光器，3和4均为扩束准直镜(其中，3为第一扩束准直镜，与飞秒激光器配合使用；4为第二扩束准直镜，与皮秒激光器配合使用)，5和6均为导光镜，7为三维高速扫描振镜，8为远心扫描场镜，9为Z轴移动机构，10为待制备材料(即，待处理材料)，11为三维工作台，12为吸尘管道，13为保护气嘴，20为微纳混合结构，21为超疏水性能表面，22、23、24分别为超亲水点、超亲水线、超亲水面(根据加工方式不同，也可以是疏水、亲水的点、线、面)。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
基于本发明，总体来说，在不具有超疏水性能的材料表面制备复合浸润性微纳结构方法，包括以下步骤：
1.利用超快激光，通过三维高速扫描振镜在材料表面进行扫描刻蚀加工，在材料整体表面制备超疏水性能的微纳混合结构；
2.利用低表面能化学试剂对材料表面微纳混合结构进行特殊的低表面能处理(如喷涂,PVD,CVD等)，使得在材料表面形成一层低表面能沉积层，得到超疏水性能的基底材料；
3.再利用超快激光在超疏水性的基底材料表面上进行选择性，以一定的比例、形貌、周期以及排列方式高速扫描直写修饰，在超疏水表面重新诱导形成超亲水点、线或面，从而得到特定分布的超亲疏相间的微纳混合结构，形成一种复合浸润性微纳混合结构，同理可制备超疏水与疏水相间或超疏水与亲水相间的符合浸润性微纳混合结构。
在具有疏水性能的基底材料本身制备复合浸润性微纳结构方法，由于基底材料本身即表现为疏水性，故仅需第一和第三步，第二步可以忽略：即：利用超快激光在具有疏水性的基底材料表面，通过三维高速扫描振镜在材料表面进行扫描刻蚀加工，在材料整体表面制备超疏水性能的微纳混合结构；然后再利用超快激光在超疏水性能表面上以一定的比例、形貌、周期以及排列方式进行选择性地高速扫描直写修饰，在超疏水表面重新诱导形成超亲水点、线或面，从而得到特定分布的超亲疏相间的微纳混合结构，形成一种复合浸润性微纳混合结构。
在具有亲水性能的基底材料本身制备复合浸润性微纳结构方法：无需经过第一步处理，直接通过第二步的低表面能处理和第三步以一定的比例、形貌、周期以及排列方式高速超快激光扫描直写修饰，最终得到复合浸润性材料。
图1给出在材料表面制备复合浸润性微纳结构装置，主要由飞秒激光器1、皮秒激光器2、两个扩束准直镜3和4、两个导光镜5和6、三维高速扫描振镜7、远心扫描场镜8、Z轴移动机构9和三维工作台11组成，并可优选设置吸尘管道12和保护气嘴13。待制备材料10固定在三维工作台11表面上。在材料表面不具有超疏水性能制备复合浸润性微纳结构的具体实施步骤是：先启动飞秒激光器1，输出的激光束经扩束准直镜3放大准直后，再通过导光镜5和6，输入到三维高速扫描振镜7，经远心扫描场镜8和调节Z轴移动机构9，使输出的激光束聚焦到待制备材料10的表面，并与三维工作台配合，进行大面积高速扫描刻蚀加工，在材料整体表面制备超疏水性能的微纳混合结构20(见图2所示)。从而完成制备复合浸润性微纳结构第一步。
同时可设置吸尘管道12将激光制备材料10处理过程中产生的烟雾粉尘吸走，并进一步通过设置保护气嘴13向材料10表面输送保护气体(如氮气、氩气等)，避免材料表面在激光制备过程中被污染。
然后在材料10表面飞秒激光制备的超疏水性能的微纳混合结构20上喷涂一层低表面能化学试剂薄膜(如PFOTS、PDMS)，得到超疏水性能的基底材料。最后，将激光制备装置中的导光镜3翻转90o(如图4所示)，启动皮秒激光器2，输出的激光束经扩束准直镜4放大准直后，再通过导光镜5和6，输入到三维高速扫描振镜7，经远心扫描场镜8和调节Z轴移动机构9，使输出的激光束聚焦到待制备材料10的超疏水性能表面21，并与三维工作台配合，进行选择性，以一定的比例、形貌、周期以及排列方式高速扫描直写修饰，在超疏水表面重新诱导形成超亲水点22(见图5)、超亲水线23(见图6)或超亲水面24(见图7)，或其它的比例、形貌、周期以及排列方式，从而得到特定分布的超亲疏相间的微纳混合结构，形成一种复合浸润性微纳混合结构。
在基底材料本身具有疏水性制备复合浸润性微纳结构方法：
由于基底材料本身即表现为疏水性，故仅需采用飞秒激光器，通过三维高速扫描振镜并与三维工作台配合，在材料表面进行扫描刻蚀加工，在基底材料10上制备为超疏水性能的微纳混合结构，即可获得图3所示的超疏水性能表面21。然后，再利用皮秒激光在超疏水性能表面21上以一定的比例、形貌、周期以及排列方式进行选择性地高速扫描直写修饰，在超疏水表面重新诱导形成超亲水点22(图5)、超亲水线23(图6)或超亲水面24(图7)，从而得到特定分布的超亲疏相间的微纳混合结构，形成一种复合浸润性微纳混合结构。
由于加工过程中涉及到在微米尺度上将超亲水、超疏水结构相结合，因此加工过程中有以下几点考虑：首先需要保证几何尺度以及精度；其次，加工过程中需尽量避免热效应；第三涉及到亲、疏水区域的突变。因此本发明选择超快激光作为加工光源。加工过程中，需要保持较低的能量密度以及较高的加工速率，来避免热效应。在刻蚀微结构的过程中，需要较高的功率密度保证刻蚀加工的精度以及质量，而在表面修饰的过程中，需要较低的能量，防止已加工的结构再次受到刻蚀而破坏。
为了使飞秒激光能够得到期望的具有超疏水性能的微纳混合结构，加工参数可以根据待加工材料以及加工需求调整，只要能够确保：1.高峰值功率；2.小光斑直径；3.低热影响区。利用皮秒激光形成超亲水区域，主要有2种成因：1.去除表面的低表面能薄膜；2.激光直接作用特定材料表面，会极大地增加材料的表面自由能，使得表面表现为极强的亲水性。利用皮秒激光形成超亲水区域，由于亲水区的形成主要是对已有微纳结构进行改性修饰，因此要求：1.低能量密度；2.低热影响区，可根据被加工材料、以及实际加工需求调整皮秒激光的加工参数。
实例：
实例1：在铜材料表面上制备复合浸润性结构
先采用波长为1030nm的飞秒激光器，设定功率为80W，频率为2MH，扫描速率为5000mm/s，聚焦在铜材料表面，开启吸尘管道和保护气嘴，对铜表面进行高速飞秒激光刻蚀加工，得到微/纳米混合的粗糙表面；之后在微/纳米混合的粗糙表面区域表面沉积一层低表面能化学试剂PFOTS(全氟癸基三甲基硅烷)，沉积完后在烘箱中300℃高温固化，得到超疏水表面；最后采用波长为532nm的皮秒激光器以功率5W，频率为,1MH，扫描速率1000mm/s的参数下，开启吸尘管道和保护气嘴，对铜材超疏水表面以直径为400微米的圆点图案，圆点间距800微米，周期比列为1比100进行选择性亲水修饰，使得在原有超疏水表面上形成微米尺度上特定排列和分布的超亲水区域，形成一种复合浸润性的表面。经防污减阻实验测试，复合浸润性处理的铜表面的防污效果得到改善，水阻力下降约为10％左右。
实例2：在聚四氟乙烯表面上制备复合浸润性结构
先采用波长为355nm的飞秒激光器，设定功率50W，频率为1MH，扫描速率1000mm/s，聚焦在聚四氟乙烯表面，开启吸尘管道和保护气嘴，在聚四氟乙烯表面进行快速飞秒激光刻蚀加工，得到微/纳米混合粗糙表面。由于聚四氟乙烯本身就有较低的表面能，故不需要低表面能处理，可直接进行下一步处理。直接对聚四氟乙烯表面进行超亲水修饰，改用1064nm皮秒激光器，设定功率30W，频率为2MH，扫描速率2000mm/s，开启吸尘管道和保护气嘴，对聚四氟乙烯超疏水表面以线宽30微米的直线图案，周期比列为1比150进行选择性亲水修饰，在微米尺度上得到特定排列和分布的超亲水区域，最终形成一种复合浸润性表面。经防污减阻实验测试，复合浸润性处理的聚四氟乙烯表面的防污效果很好，长时间放在海水中，没有任何污渍吸附在表面，水阻力下降约为25％左右。
实例3：在玻璃表面上制备复合浸润性结构
先采用波长为355nm的飞秒激光器，设定功率10W，频率500kHz，扫描速率200mm/s，聚焦在玻璃表面，开启吸尘管道和保护气嘴，在玻璃表面进行快速飞秒激光刻蚀，得到微/纳米混合粗糙表面。之后再在加工区域表面之后在加工区域表面沉积一层低表面能化学试剂PDMS(聚二甲基硅氧烷)，沉积完后在烘箱中300℃高温固化，得到超疏水表面。最后再采用355nm皮秒激光器以功率5W，频率为1MH，扫描速率1000mm/s的参数下，对玻璃超疏水表面以线宽400微米的面积图案，周期比列为1比200进行选择性亲水修饰，在微米尺度上得到特定排列和分布的亲水区域，最终形成一种复合浸润性的表面。经防污减阻实验测试，复合浸润性处理的玻璃表面的防污效果良好，长时间放在海水中，几乎没有任何污渍吸附在表面，水阻力下降约为15％左右。
实例4：在铝合金表面上制备复合浸润性结构
先采用波长为355nm的飞秒激光器，设定功率5W，频率200kHz，扫描速率200mm/s，聚焦在玻璃表面，开启吸尘管道和保护气嘴，通过预先设计好特定的加工图案(即选区刻蚀，预留出特定区域的空白)在铝合金表面进行超快飞秒激光选区刻蚀，得到以特定方式分布的微/纳米混合粗糙表面。之后再在加工区域表面之后在加工区域表面沉积一层低表面能化学试剂PFOTS(全氟癸基三甲基硅烷)，沉积完后在烘箱中300℃高温固化，加工过的区域为超疏水面，预留出的空白面为疏水面，最终形成一种复合浸润性的表面。经防污减阻实验测试，复合浸润性处理的铝合金表面的防污效果良好，长时间放在海水中，几乎没有任何污渍吸附在表面，水阻力下降约为20％左右。
实例5：在硅表面上制备复合浸润性结构
先采用波长为355nm的飞秒激光器，设定功率10W，频率为2MH，扫描速率2000mm/s，聚焦在硅表面，开启吸尘管道和保护气嘴，在硅表面进行快速飞秒激光刻蚀加工，得到微/纳米混合粗糙表面。之后在微/纳米混合的粗糙表面区域表面沉积一层低表面能化学试剂PFOTS(全氟癸基三甲基硅烷)，沉积完后在烘箱中300℃高温固化，得到超疏水表面。对硅表面进行亲水修饰，改用1064nm皮秒激光器，设定功率15W，频率为200kHz，扫描速率1000mm/s，开启吸尘管道和保护气嘴，对硅超疏水表面以线宽15微米的直线图案，周期比列为1比100进行选择性亲水修饰，在微米尺度上得到特定排列和分布的亲水区域，最终形成一种复合浸润性表面。经防污减阻实验测试，复合浸润性处理的聚四氟乙烯表面的防污效果很好，长时间放在海水中，没有任何污渍吸附在表面，水阻力下降约为10％左右。
实例6：在铝箔表面上制备复合浸润性结构
先采用波长为1064nm的飞秒激光器，设定功率为5W，频率为20kH，扫描速率为500mm/s，聚焦在铝箔表面，开启吸尘管道和保护气嘴，对铜表面进行高速飞秒激光刻蚀加工，得到微/纳米混合的粗糙表面；之后在微/纳米混合的粗糙表面区域表面沉积一层低表面能化学试剂PFOTS(全氟癸基三甲基硅烷)，沉积完后在烘箱中300℃高温固化，得到超疏水表面；最后采用波长为355nm的皮秒激光器以功率5W，频率为,1MH，扫描速率1000mm/s的参数下，开启吸尘管道和保护气嘴，对铜材超疏水表面以直径为200微米的圆点图案，圆点间距400微米，周期比列为1比200进行选择性亲水修饰，使得在原有超疏水表面上形成微米尺度上特定排列和分布的亲水区域，形成一种复合浸润性的表面。经防污减阻实验测试，复合浸润性处理的铝箔表面的防污效果得到改善，水阻力下降约为20％左右。
本发明中的皮秒激光、飞秒激光，具体是指，脉宽为10皮秒至200皮秒的激光为皮秒激光，脉宽为100飞秒至800飞秒的激光为飞秒激光。本发明中的疏水性、亲水性，满足本领域的常规定义，即，若材料表面的表面张力比水(72mN/m)更小，则其具有疏水性；若材料表面的表面张力比水(72mN/m)更大，则其具有亲水性；本发明中的非疏水性、且非亲水性材料，包括一些中性材料，它们处于亲水与疏水的过渡区，无明显倾向性。此外，超疏水性是指与水接触角大于150°，超亲水性是指与水接触角小于10°，也满足常规定义。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种激光处理制备防污减阻材料的方法，该方法是使用激光处理制备防污减阻材料的装置，该装置包括皮秒激光发射组件、飞秒激光发射组件、扫描聚焦组件以及载物工作台，其中，所述载物工作台用于放置待进行防污减阻处理的待处理材料（10）；
所述飞秒激光发射组件包括飞秒激光器（1）及与该飞秒激光器（1）配合使用的第一扩束准直镜（3），该飞秒激光器（1）用于发射飞秒激光束，该飞秒激光束经过所述第一扩束准直镜（3）及导光镜（5，6）入射到所述扫描聚焦组件，并经过所述扫描聚焦组件聚焦到所述待处理材料（10）上，用于对该待处理材料（10）进行飞秒激光扫描刻蚀加工处理使该待处理材料（10）表面形成满足超疏水性能需要的微纳混合结构（20）；
所述皮秒激光发射组件包括皮秒激光器（2）及与该皮秒激光器（2）配合使用的第二扩束准直镜（4），该皮秒激光器（2）用于发射皮秒激光束，该皮秒激光束经过所述第二扩束准直镜（4）及导光镜（5，6）入射到所述扫描聚焦组件，并经过所述扫描聚焦组件聚焦到所述待处理材料（10）上，用于对该待处理材料（10）进行皮秒激光扫描加工修饰处理使该待处理材料（10）表面形成疏水区域或亲水区域或超亲水区域；
利用飞秒激光束及皮秒激光束对待处理材料（10）的综合处理，能够使待处理材料（10）表面形成疏水与超疏水相间的疏水-超疏水形貌，或者形成亲水与超疏水相间的亲水-超疏水形貌，或者形成超亲水与超疏水相间的超亲水-超疏水形貌，进而减小该待处理材料（10）在水中的阻力，同时起到防污作用；
并且，所述飞秒激光发射组件和所述皮秒激光发射组件共用一对导光镜（5，6），记这一对导光镜（5，6）分别为第一导光镜（5）和第二导光镜（6），激光束依次经过所述第一导光镜（5）和所述第二导光镜（6）入射到所述扫描聚焦组件，通过调整所述第一导光镜（5）能够实现所述扫描聚焦组件是接入飞秒激光束光路还是接入皮秒激光束光路的切换；
其特征在于，该方法以非疏水性、且非亲水性的非亲非疏材料为待处理对象，具体包括以下步骤：
（1）飞秒激光扫描刻蚀处理：利用飞秒激光对所述待处理对象进行飞秒激光扫描刻蚀加工处理，使该待处理对象表面形成满足超疏水性能需要的微纳混合结构；
（2）超疏水表面的形成：在经过所述步骤（1）处理后的所述待处理对象其微纳混合结构表面沉积低表面能材料，从而使该待处理对象表面形成超疏水性能表面；其中，所述低表面能材料其表面自由能低于水的表面自由能；
（3）皮秒激光扫描直写修饰处理：利用皮秒激光对所述待处理对象的所述超疏水性能表面进行皮秒激光扫描直写加工修饰处理，使所述待处理对象表面形成疏水区域或亲水区域或超亲水区域，由此使所述待处理对象表面最终形成疏水与超疏水相间的疏水-超疏水形貌，或者形成亲水与超疏水相间的亲水-超疏水形貌，或者形成超亲水与超疏水相间的超亲水-超疏水形貌，进而减小该待处理对象在水中的阻力，同时带来防污效果，从而制备得到防污减阻材料。
2.一种激光处理制备防污减阻材料的方法，该方法是使用激光处理制备防污减阻材料的装置，该装置包括皮秒激光发射组件、飞秒激光发射组件、扫描聚焦组件以及载物工作台，其中，所述载物工作台用于放置待进行防污减阻处理的待处理材料（10）；
所述飞秒激光发射组件包括飞秒激光器（1）及与该飞秒激光器（1）配合使用的第一扩束准直镜（3），该飞秒激光器（1）用于发射飞秒激光束，该飞秒激光束经过所述第一扩束准直镜（3）及导光镜（5，6）入射到所述扫描聚焦组件，并经过所述扫描聚焦组件聚焦到所述待处理材料（10）上，用于对该待处理材料（10）进行飞秒激光扫描刻蚀加工处理使该待处理材料（10）表面形成满足超疏水性能需要的微纳混合结构（20）；
所述皮秒激光发射组件包括皮秒激光器（2）及与该皮秒激光器（2）配合使用的第二扩束准直镜（4），该皮秒激光器（2）用于发射皮秒激光束，该皮秒激光束经过所述第二扩束准直镜（4）及导光镜（5，6）入射到所述扫描聚焦组件，并经过所述扫描聚焦组件聚焦到所述待处理材料（10）上，用于对该待处理材料（10）进行皮秒激光扫描加工修饰处理使该待处理材料（10）表面形成疏水区域或亲水区域或超亲水区域；
利用飞秒激光束及皮秒激光束对待处理材料（10）的综合处理，能够使待处理材料（10）表面形成疏水与超疏水相间的疏水-超疏水形貌，或者形成亲水与超疏水相间的亲水-超疏水形貌，或者形成超亲水与超疏水相间的超亲水-超疏水形貌，进而减小该待处理材料（10）在水中的阻力，同时起到防污作用；
并且，所述飞秒激光发射组件和所述皮秒激光发射组件共用一对导光镜（5，6），记这一对导光镜（5，6）分别为第一导光镜（5）和第二导光镜（6），激光束依次经过所述第一导光镜（5）和所述第二导光镜（6）入射到所述扫描聚焦组件，通过调整所述第一导光镜（5）能够实现所述扫描聚焦组件是接入飞秒激光束光路还是接入皮秒激光束光路的切换；
其特征在于，该方法以疏水性材料为待处理对象，具体包括以下步骤：
（1）飞秒激光扫描刻蚀处理：利用飞秒激光对所述待处理对象进行飞秒激光扫描刻蚀加工处理，使该待处理对象表面形成具有超疏水性能的微纳混合结构，该具有超疏水性能的微纳混合结构即超疏水性能表面；
（2）皮秒激光扫描直写修饰处理：利用皮秒激光对所述待处理对象的所述超疏水性能表面进行皮秒激光扫描直写加工修饰处理，使所述待处理对象表面形成疏水区域或亲水区域或超亲水区域，由此使所述待处理对象表面最终形成疏水与超疏水相间的疏水-超疏水形貌，或者形成亲水与超疏水相间的亲水-超疏水形貌，或者形成超亲水与超疏水相间的超亲水-超疏水形貌，进而减小该待处理对象在水中的阻力，同时带来防污效果，从而制备得到防污减阻材料。
3.一种激光处理制备防污减阻材料的方法，该方法是使用激光处理制备防污减阻材料的装置，该装置包括皮秒激光发射组件、飞秒激光发射组件、扫描聚焦组件以及载物工作台，其中，所述载物工作台用于放置待进行防污减阻处理的待处理材料（10）；
所述飞秒激光发射组件包括飞秒激光器（1）及与该飞秒激光器（1）配合使用的第一扩束准直镜（3），该飞秒激光器（1）用于发射飞秒激光束，该飞秒激光束经过所述第一扩束准直镜（3）及导光镜（5，6）入射到所述扫描聚焦组件，并经过所述扫描聚焦组件聚焦到所述待处理材料（10）上，用于对该待处理材料（10）进行飞秒激光扫描刻蚀加工处理使该待处理材料（10）表面形成满足超疏水性能需要的微纳混合结构（20）；
所述皮秒激光发射组件包括皮秒激光器（2）及与该皮秒激光器（2）配合使用的第二扩束准直镜（4），该皮秒激光器（2）用于发射皮秒激光束，该皮秒激光束经过所述第二扩束准直镜（4）及导光镜（5，6）入射到所述扫描聚焦组件，并经过所述扫描聚焦组件聚焦到所述待处理材料（10）上，用于对该待处理材料（10）进行皮秒激光扫描加工修饰处理使该待处理材料（10）表面形成疏水区域或亲水区域或超亲水区域；
利用飞秒激光束及皮秒激光束对待处理材料（10）的综合处理，能够使待处理材料（10）表面形成疏水与超疏水相间的疏水-超疏水形貌，或者形成亲水与超疏水相间的亲水-超疏水形貌，或者形成超亲水与超疏水相间的超亲水-超疏水形貌，进而减小该待处理材料（10）在水中的阻力，同时起到防污作用；
并且，所述飞秒激光发射组件和所述皮秒激光发射组件共用一对导光镜（5，6），记这一对导光镜（5，6）分别为第一导光镜（5）和第二导光镜（6），激光束依次经过所述第一导光镜（5）和所述第二导光镜（6）入射到所述扫描聚焦组件，通过调整所述第一导光镜（5）能够实现所述扫描聚焦组件是接入飞秒激光束光路还是接入皮秒激光束光路的切换；
其特征在于，该方法以亲水性材料为待处理对象，具体包括以下步骤：
（1）飞秒激光扫描刻蚀处理：利用飞秒激光对所述待处理对象进行飞秒激光扫描刻蚀加工处理，使该待处理对象表面形成满足超疏水性能需要的微纳混合结构；
（2）超疏水表面的形成：在经过所述步骤（1）处理后的所述待处理对象其微纳混合结构表面沉积低表面能材料，从而使该待处理对象表面形成超疏水性能表面；其中，所述低表面能材料其表面自由能低于水的表面自由能；
（3）皮秒激光扫描直写修饰处理：利用皮秒激光对所述待处理对象的所述超疏水性能表面进行皮秒激光扫描直写加工修饰处理，使所述待处理对象表面形成疏水区域或亲水区域或超亲水区域，由此使所述待处理对象表面最终形成疏水与超疏水相间的疏水-超疏水形貌，或者形成亲水与超疏水相间的亲水-超疏水形貌，或者形成超亲水与超疏水相间的超亲水-超疏水形貌，进而减小该待处理对象在水中的阻力，同时带来防污效果，从而制备得到防污减阻材料。
4.如权利要求1－3任意一项所述激光处理制备防污减阻材料的方法，其特征在于，所述疏水区域具体为疏水点、疏水线或疏水面；所述亲水区域具体为亲水点、亲水线或亲水面；所述超亲水区域具体为超亲水点、超亲水线或超亲水面。
5.如权利要求1－3任意一项所述激光处理制备防污减阻材料的方法，其特征在于，所述扫描聚焦组件包括扫描振镜、扫描场镜和Z轴移动机构（9），所述扫描振镜和所述扫描场镜两者配合用于对激光束进行扫描聚焦，所述Z轴移动机构（9）则用于带动所述扫描振镜和所述扫描场镜沿Z轴方向整体移动以控制激光束聚焦点在Z轴方向上的位置。
6.如权利要求5所述激光处理制备防污减阻材料的方法，其特征在于，所述Z轴移动机构（9）还用于带动所述第二导光镜（6）沿Z轴方向同步移动。
7.如权利要求1－3任意一项所述激光处理制备防污减阻材料的方法，其特征在于，所述飞秒激光器（1）与所述皮秒激光器（2）两者的激光出射口相对设置；
所述载物工作台具体为三维工作台，用于放置并带动所述待处理材料（10）移动，调整所述待处理材料（10）的空间位置；
在所述载物工作台的上方还设置有吸尘管道（12）和保护气嘴（13），其中，所述吸尘管道（12）用于除去所述待处理材料（10）激光处理过程产生的废弃物，所述保护气嘴（13）则用于向所述待处理材料（10）表面传送保护气体。
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