苏州大学王晓南教授等：纳秒激光制备超疏水铝合金表面及液滴热弹跳行为研究

2024-12-02 15:57:17 作者：材料开发与应用来源：材料开发与应用分享至：

论文导读

《材料开发与应用》第39卷第5期

纳秒激光制备超疏水铝合金表面及液滴热弹跳行为研究

龚奕维¹, 李响², 林予阳¹, 刘腾达¹, 李庆松¹，薛田甜², 董其鹏¹, 张庆宇¹, 王晓南¹

(1.苏州大学沙钢钢铁学院, 江苏苏州 215137; 2.无锡锐科光纤激光技术有限责任公司, 江苏无锡 214000)

摘要：金属材料超疏水表面制备近年来引起了高度关注。在本研究中，采用纳秒激光技术制备具有螺旋状微米脊状结构的6061铝合金超疏水表面，对液滴在该表面上的接触角和滚动角进行测量，并结合格子玻尔兹曼数值模拟方法对液滴在该表面上的热弹跳行为进行研究。结果表明，样品的刻蚀深度随激光扫描速度的增大而减小；液滴在未经氟化处理的螺旋状微米脊状结构表面上的接触角约为7°，该表面呈超亲水性，在氟化处理后的螺旋状微米脊状结构表面上的接触角约为150°，该表面呈超疏水性；液滴在扫描速度较低与较高时制备的螺旋状微米脊状结构表面的滚动角分别约为（7±2）°与（33±1）°，不同激光扫描速度使铝合金表面具有了不同的黏附性；液滴在刻蚀深度较大的样品表面更容易发生热弹跳，这是因为此时液滴与热表面接触后的汽化作用在液滴下方产生了更大的向上压力，推动液滴出现连续弹跳。

关键词：纳秒激光; 超疏水表面; 格子玻尔茲曼模拟; 液滴热弹跳

文中主要图表

（序号为文中序号）

图1 不同激光扫描速度下得到的6061铝合金的表面形貌

图2 不同激光扫描速度下6061铝合金表面的三维形貌及横截面轮廓图

图3 6061铝合金表面刻蚀深度与宽度随激光扫描速度的变化图

图4 去离子水液滴在不同铝合金表面的接触角

图5 液滴在经过激光加工和氟化处理的6061铝合金表面的接触角和滚动角随激光扫描速度的变化图

图6 液滴滴落在190 ℃、经不同激光扫描速度加工的6061铝合金表面上的热弹跳现象

图7 液滴撞击在不同刻蚀深度热表面的密度、温度和压力场的演化格子玻尔兹曼方法模拟结果

图8 液滴在不同刻蚀深度表面热弹跳过程中液滴参数随时间变化的模拟结果

总结与展望

（1）6061铝合金表面刻蚀深度随激光扫描速度的增大而减小，当激光扫描速度较低时，螺旋状微米脊状结构铝合金表面形成数量更多的微米颗粒。表面刻蚀宽度则基本不随激光扫描速度的变化而变化。

（2）氟化处理前，液滴在光滑表面和螺旋状微米脊状结构表面的接触角分别为46°和7°左右；氟化处理后,液滴在光滑表面和螺旋状微米脊状结构表面的接触角分别为100和150° 左右，表明螺旋状微米脊状结构可以使原本亲水的材料表面变得超亲水，原本疏水的材料表面变得超疏水，且氟化处理会降低表面润湿性。随着刻蚀深度的增加，液滴在螺旋状微米脊状结构超疏水表面的滚动角显著减小，黏附性有突变。此外，螺旋状微米脊状结构与润湿性的综合作用可以调控液滴的各向异性。

（3）液滴在加热的螺旋状微米脊状结构超疏水表面的弹跳行为实验和模拟结果表明，液滴在刻蚀深度更深的样品表面时，局部沸腾产生的大量水蒸气能够充分填充沟槽间隙并形成较大压力，推动液滴出现反复弹跳现象。

本文引用格式

龚奕维, 李响, 林予阳, 等. 纳秒激光制备超疏水铝合金表面及液滴热弹跳行为研究[J]. 材料开发与应用, 2024, 39(5): 44-54.

GONG Y W, LI X, LIN Y Y, et al. Study on nanosecond laser fabrication of superhydrophobie surface on aluminum alloy and thermal bounce behavior of droplets[J]. Development and Application of Materials, 2024, 39(5): 44-54.

纳秒激光制备超疏水铝合金表面及液滴热弹跳行为研究

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