激光加工表面微觀形貌與疏水特性研究.pdf

1、在自然界中，很多動(dòng)植物存在具有特殊微觀形貌的疏水性表面，這些生物體表面所展現(xiàn)出的潤(rùn)濕特性已經(jīng)成為生物醫(yī)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，而鈦合金由于具有良好的抗腐蝕性和生物相容性成為了目前廣泛應(yīng)用的生物醫(yī)用材料，通過在鈦合金基底上構(gòu)建仿生微觀形貌能夠?qū)崿F(xiàn)其表面潤(rùn)濕性由親水性到疏水性的轉(zhuǎn)變。在鈦合金表面上，基于激光加工的微結(jié)構(gòu)成型技術(shù)具有柔性好、成本低、可重復(fù)率高等優(yōu)點(diǎn)，工業(yè)化應(yīng)用前景廣闊。
　　本文使用了常規(guī)的光纖脈沖激光器加工鈦合金表面，通過調(diào)

2、整加工工藝參數(shù)（輸出功率、脈沖頻率、脈沖寬度以及掃描速度）改變輸出激光的功率密度，從而在鈦合金表面上獲得具有不同截面輪廓深度和寬度的單溝槽結(jié)構(gòu)?；趩螠喜劢Y(jié)構(gòu)加工工藝實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)一步在鈦合金表面上構(gòu)建具有不同微結(jié)構(gòu)尺寸的平行溝槽結(jié)構(gòu)，采用針描法對(duì)鈦合金表面激光加工后的截面輪廓進(jìn)行測(cè)量與分析，從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度采用簡(jiǎn)化的間斷三角波表征截面輪廓。結(jié)合熱力學(xué)理論和系統(tǒng)最小自由能理論，本文提出了具有間斷三角波形截面輪廓的平行溝槽表面上氣-液-固三相系

3、統(tǒng)熱力學(xué)狀態(tài)模型，并建立了瞬間接觸角與系統(tǒng)自由能的關(guān)系方程。采用氟硅烷對(duì)激光加工后的鈦合金表面進(jìn)行改性處理，分別從平行和垂直于紋理方向?qū)Ω髟嚇颖砻娓男蕴幚砬昂蟮撵o態(tài)接觸角、前進(jìn)角以及后退角進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過激光加工方法制備的微米級(jí)平行溝槽表面具有明顯的各向異性疏水特性但接觸角滯后很大；在硅烷化處理后，各試樣表面均具有明顯的各向同性超疏水特性且接觸角滯后很小，出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是不同微結(jié)構(gòu)尺寸與化學(xué)成分下的能量壁壘與潤(rùn)濕狀態(tài)

4、不同。通過編程獲得三相接觸線在平行溝槽表面上任意位置時(shí)瞬時(shí)接觸角與標(biāo)準(zhǔn)化自由能之間的關(guān)系曲線，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型分析結(jié)果驗(yàn)證理論模型的正確性。
　　綜上所述，通過分析不同微結(jié)構(gòu)尺寸和化學(xué)成分條件下鈦合金表面接觸角及其滯后的變化規(guī)律，明確了平行溝槽表面輪廓形貌所導(dǎo)致的能量壁壘與表面化學(xué)成分所影響的潤(rùn)濕狀態(tài)是鈦合金表面潤(rùn)濕特性的主要影響因素，并通過分析平行溝槽表面上氣-液-固三相系統(tǒng)熱力學(xué)狀態(tài)模型，理論解釋了鈦合金表面由親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭?/p>