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學(xué)術(shù)論文

[論文]飛秒激光及其在固體表面潤(rùn)濕性調(diào)控領(lǐng)域的應(yīng)用

Johnny 來(lái)源:激光制造商情2015-06-18 我要評(píng)論(0 )   

近年來(lái),飛秒激光微納加工吸引了越來(lái)越多的關(guān)注。飛秒激光微加工是一種新型的微納制造技術(shù),有著許多不可比擬的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

 作者:楊青教授,西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

 

經(jīng)過(guò)數(shù)十億年的進(jìn)化和自然選擇,自然界的生物為了生存演化出形形色色的功能特性,展現(xiàn)了結(jié)構(gòu)和性能的完美統(tǒng)一和協(xié)調(diào)。許多生物材料表面展現(xiàn)出卓越的浸潤(rùn)特性,比如槐葉萍的水下空氣收集功能,荷葉的疏水自清潔特性,水稻葉的各向異性特性,蝴蝶翅膀的各向粘滯特性,蚊子眼睛防霧特性,紅玫瑰和壁虎的高粘滯性,沙漠甲蟲(chóng)的水滴收集功能,鯊魚(yú)皮的減阻功能等。仿生研究表明等級(jí)結(jié)構(gòu)和其他特定的成分導(dǎo)致了這些特性,也啟發(fā)人們?cè)O(shè)計(jì)制備功能性表面。具有特殊浸潤(rùn)性的表面在交通、建筑、醫(yī)藥、微電子、新材料的合成制備乃及芯片實(shí)驗(yàn)室、顯示技術(shù)及微/納米機(jī)電系統(tǒng)等方面無(wú)不與潤(rùn)濕性能有著密切的關(guān)系。多種加工工藝,比如自組織,化學(xué)沉積,等離子體刻蝕和光刻技術(shù)已經(jīng)成功用于多種生物仿生潤(rùn)濕結(jié)構(gòu)制備。雖然制備的表面性能可以和自然界浸潤(rùn)特性相媲美,但是這些工藝多數(shù)都有技術(shù)缺陷,只能制備單尺寸結(jié)構(gòu)的表面,調(diào)節(jié)手段單一,制備混合尺度的微納米分級(jí)結(jié)構(gòu)往往需要多步處理,過(guò)程復(fù)雜。

近年來(lái),飛秒激光微納加工吸引了越來(lái)越多的關(guān)注。飛秒激光微加工是一種新型的微納制造技術(shù),有著許多不可比擬的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。飛秒激光脈沖寬度極短(10-15S), 較低的脈沖能量能獲得極高的峰值功率, 從而大大降低加工所需能量, 如使用10fs脈沖寬度激光, 0.3mJ能量就可在聚焦為直徑2μm的焦點(diǎn)達(dá)到1018W/cm2的峰值強(qiáng)度。飛秒激光能量集中在趨膚深度范圍內(nèi)且熱影響區(qū)非常小。沒(méi)有熔化及再凝固痕跡, 大大減弱和消除了傳統(tǒng)加工中熱效應(yīng)帶來(lái)的諸多負(fù)面影響。飛秒激光焦點(diǎn)處的非線性吸收可使入射激光聚焦在透明材料內(nèi)部任何位置, 從而實(shí)現(xiàn)三維微納加工。此外, 由于飛秒激光的燒蝕閾值精確, 可將激光的能量控制在等于或稍高于燒蝕閾值的范圍內(nèi), 可進(jìn)行低于衍射極限的亞微米加工。飛秒激光已經(jīng)展現(xiàn)出它在改變表面潤(rùn)濕特性方面的強(qiáng)力潛質(zhì)。這種工藝照傳統(tǒng)工藝有著許多優(yōu)勢(shì):

? 一步直接非掩膜加工技術(shù)。許多類(lèi)似于自然界表面的微米和納米尺度結(jié)構(gòu)能被直接獲得,這些結(jié)構(gòu)的形貌能通過(guò)改變激光加工參數(shù)調(diào)節(jié)。
? 一種不需要苛刻條件的靈活工藝。實(shí)驗(yàn)可在不同液體和氣體環(huán)境下進(jìn)行,如空氣,真空,水和酒精。它也不需要昂貴的超凈室,從而大大降低了成本。
? 能很大幅度地改變?cè)S多材料的潤(rùn)濕性即使不需要化學(xué)涂層降低表面能。
? 能處理多種材料,比如金屬,玻璃,陶瓷,尤其是那些高硬度,高熔點(diǎn),耐腐蝕和易碎的材料。
? 通過(guò)高能量多光子吸收可以實(shí)現(xiàn)在透明介質(zhì)內(nèi)部加工真三維結(jié)構(gòu),從而能制備多種微流路芯片。同時(shí),與三維數(shù)控平臺(tái)的結(jié)合,使飛秒激光微納加工逐步成為一種更高效更快捷的成型方法。

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飛秒激光微納加工脈沖寬度濕潤(rùn)
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