【摘 要】
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船板钢广泛应用于海洋运输、平台装载等海洋工业领域,由于工作环境恶劣面临严重的腐蚀问题。改善材料表面润湿性是提高耐腐蚀性的重要方法之一。本文利用飞秒激光在船板钢表面制备微-纳结构并提高疏水性,引入激光强度因子LIF,综合考虑脉冲能量、扫描速度和扫描线间距等激光参数对表面微-纳结构和润湿性的影响。在此基础上通过低表面能处理和退火工艺进一步制备出稳定的超疏水表面。建立了激光加工热积累温度模型,并计算了不
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船板钢广泛应用于海洋运输、平台装载等海洋工业领域,由于工作环境恶劣面临严重的腐蚀问题。改善材料表面润湿性是提高耐腐蚀性的重要方法之一。本文利用飞秒激光在船板钢表面制备微-纳结构并提高疏水性,引入激光强度因子LIF,综合考虑脉冲能量、扫描速度和扫描线间距等激光参数对表面微-纳结构和润湿性的影响。在此基础上通过低表面能处理和退火工艺进一步制备出稳定的超疏水表面。建立了激光加工热积累温度模型,并计算了不同脉冲能量和扫描速度下的热积累温度。本文进行飞秒激光单脉冲烧蚀船板钢测量烧蚀阈值的实验研究。采用面积外推法,计算出船板钢的烧蚀阈值0.31 J/cm~2。进行飞秒激光扫描船板钢制备微纳结构表面的实验研究。通过调整激光脉冲能量、扫描速度、扫描线间距,研究分析微-纳结构形成机制。当沉积在材料表面的能量小于138 J/cm~2,此时形成的是周期性纳米条纹。纳米条纹周期满足0.5～0.85倍的入射激光波长。当增大激光脉冲能量时,沉积在材料表面的能量逐渐变大。当162 J/cm~2≤LIF≤348 J/cm~2,材料表面形成“柱状”、“窝状”和“片层状”双尺度微-纳结构。对微纳结构的润湿性进行了分析,利用Cassie-Baxter模型解释了所得微纳结构的润湿性机制。飞秒激光加工后的材料表面呈现出亲水性,存放在自然环境30天左右可以完成亲疏水的缓慢转化。提出低表面能试剂浸泡法和退火处理实现材料表面亲疏水的快速转化。经过自然转化和快速转化的疏水表面性能稳定。当LIF为273 J/cm~2、EP=16μJ、v=2 mm/s、L=11.5μm下得到的片层状结构。该结构经过室温放置30天左右、低表面能试剂16小时和退火6小时的处理使接触角增至150°,滚动角降为9°,表面呈现超疏水性。基于COMSOL MULTIPHSICS建立飞秒激光线扫描加工船板钢的热积累模型。利用该模型计算并分析了实验值下的v和EP变化引起的热积累温度变化规律。建立了实验LIF值与热积累温度之间的关联,可用该模型根据实验LIF值与微纳结构的联系简单预测表面微纳结构。
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