超浸潤(rùn)表面因在液滴運(yùn)輸、防污染等領(lǐng)域的巨大潛力成為研究熱點(diǎn)，不銹鋼作為常用工程材料，其表面潤(rùn)濕性調(diào)控對(duì)拓展應(yīng)用至關(guān)重要。納秒激光技術(shù)為不銹鋼表面超浸潤(rùn)改性提供了有效途徑，而機(jī)械耐久性是其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。本研究借助精密測(cè)量技術(shù)，如光子灣科技的共聚焦顯微鏡，通過(guò)觀測(cè)表面微觀結(jié)構(gòu)演變，系統(tǒng)探究納秒激光制備的超浸潤(rùn)不銹鋼表面機(jī)械耐久性，為其工程應(yīng)用提供理論與實(shí)驗(yàn)支持。

一、研究背景

表面潤(rùn)濕性是材料重要特性，超浸潤(rùn)表面因液體特殊行為在工業(yè)中潛力巨大。不銹鋼潤(rùn)濕性不足限制性能，納秒激光可通過(guò)調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)超浸潤(rùn)改性，但機(jī)械耐久性研究不足。自然界超浸潤(rùn)現(xiàn)象表明，特殊微觀結(jié)構(gòu)與化學(xué)成分是超浸潤(rùn)性能的核心成因，表面粗糙度對(duì)潤(rùn)濕性的調(diào)控作用尤為關(guān)鍵。現(xiàn)有制備方法中，納秒激光刻蝕因可控性強(qiáng)為優(yōu)選。本研究采用兩次納秒激光刻蝕在 304 單鏡面不銹鋼表面構(gòu)建多尺度結(jié)構(gòu)，結(jié)合表征技術(shù)探究其超浸潤(rùn)性能與機(jī)械耐久性。

二、實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)工藝流程

1. 材料與儀器

實(shí)驗(yàn)以 20mm×20mm×2mm 的 304 單鏡面不銹鋼為基體，試劑包括無(wú)水乙醇、丙酮、去離子水、月桂酸。儀器有納秒脈沖激光打標(biāo)機(jī)（功率 8W，波長(zhǎng) 532nm）、接觸角測(cè)量?jī)x、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（SEM）、共聚焦顯微鏡、觸針式粗糙度測(cè)量?jī)x。

2. 實(shí)驗(yàn)流程

超親水表面：不銹鋼經(jīng)超聲清洗后，采用兩次納秒激光刻蝕（一次：20mm/s，0.18mm，雙向；二次：200mm/s，0.05mm，雙向），構(gòu)建多尺度分層復(fù)合微納米結(jié)構(gòu)。

超疏水表面：對(duì)上述超親水表面進(jìn)行月桂酸化學(xué)修飾（120℃，30min），降低表面能。

3. 性能測(cè)試

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化線性磨損實(shí)驗(yàn)（100g 載荷，1000 目砂紙）評(píng)估機(jī)械耐久性，結(jié)合接觸角 / 滾動(dòng)角測(cè)量、SEM、共聚焦顯微鏡觀測(cè)表面性能與結(jié)構(gòu)演變。

三、多尺度分層復(fù)合微納米超親水表面研究

共聚焦顯微鏡觀測(cè)多尺度分層復(fù)合微納米超親水表面

1. 制備與性能

適宜參數(shù)下制備的超親水表面，水滴鋪展時(shí)間 0.267s，接觸角 0°。共聚焦顯微鏡

觀測(cè)顯示，表面存在 45.895μm 的凸起與 20-40μm 的凹槽，形成多尺度分層結(jié)構(gòu)，粗糙度 Ra 為 8.0509μm，Rt 為 112.6373μm。

2. 機(jī)械耐久性

標(biāo)準(zhǔn)化線性磨損 6m 后，表面仍保持超親水，水滴鋪展時(shí)間＜1s。SEM 與共聚焦顯微鏡

觀測(cè)表明，中心區(qū)域多級(jí)結(jié)構(gòu)保存完好，凹槽內(nèi)微納米結(jié)構(gòu)未嚴(yán)重受損，證實(shí)多尺度結(jié)構(gòu)提升耐磨性。

四、多尺度分層復(fù)合微納米超疏水表面研究

多尺度分層復(fù)合微納米超疏水表面三維形貌圖

1. 制備與性能

化學(xué)修飾后的超疏水表面，接觸角 159°，滾動(dòng)角 2°。共聚焦顯微鏡顯示，表面保留多尺度結(jié)構(gòu)，月桂酸修飾后形成低表面能層，減少液固接觸面積。

2.機(jī)械耐久性

磨損 10m 后，接觸角仍達(dá) 150° 左右。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，表面一級(jí)凸起先磨損，二級(jí)結(jié)構(gòu)持續(xù)支撐超疏水性能，分層結(jié)構(gòu)有效延緩性能衰減。

研究表明，兩次納秒激光刻蝕構(gòu)建的多尺度分層復(fù)合微納米結(jié)構(gòu)，顯著提升不銹鋼表面超浸潤(rùn)性能與機(jī)械耐久性：超親水表面磨損 6m 仍保性能，超疏水表面磨損 10m 接觸角＞150°。共聚焦顯微鏡為觀測(cè)結(jié)構(gòu)演變、揭示耐磨機(jī)理提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。光子灣科技共聚焦顯微鏡憑借在微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)中的高精度優(yōu)勢(shì)，將持續(xù)為超浸潤(rùn)表面的性能優(yōu)化與工程應(yīng)用提供有力支持，助力其在半導(dǎo)體等領(lǐng)域的實(shí)際落地。

光子灣3D共聚焦顯微鏡

光子灣3D共聚焦顯微鏡是一款用于對(duì)各種精密器件及材料表面，可應(yīng)對(duì)多樣化測(cè)量場(chǎng)景，能夠快速高效完成亞微米級(jí)形貌和表面粗糙度的精準(zhǔn)測(cè)量任務(wù)，提供值得信賴的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

超寬視野范圍，高精細(xì)彩色圖像觀察

提供粗糙度、幾何輪廓、結(jié)構(gòu)、頻率、功能等五大分析技術(shù)

采用針孔共聚焦光學(xué)系統(tǒng)，高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

提供調(diào)整位置、糾正、濾波、提取四大模塊的數(shù)據(jù)處理功能

光子灣共聚焦顯微鏡以原位觀察與三維成像能力，為納秒激光制備超浸潤(rùn)不銹鋼表面機(jī)械耐久性研究提供表征技術(shù)支撐，助力從表面粗糙度與性能分析的精準(zhǔn)把控，成為推動(dòng)半導(dǎo)體等領(lǐng)域質(zhì)量升級(jí)的重要光學(xué)測(cè)量工具。