直接激光干涉图案化技术在微结构金属表面润湿性能中表面纳米粗糙度的作用

摘要： 超疏水天然表面通常具有多层次结构，尤其是覆盖纳米粗糙度的微结构。这种表面的多尺度特性降低了水和油的润湿性，并赋予自清洁性能。本研究为深入理解技术表面的润湿特性，采用直接激光干涉图案化（DLIP）技术在不锈钢表面制备了单尺度和多尺度周期性仿生图案。通过超短激光脉冲制备了空间周期5.5微米、结构深度4.2微米的微柱阵列，并覆盖亚微米级粗糙度形成层级几何结构。为区分不同特征对润湿行为的影响，采用纳秒激光源熔融纳米粗糙度获得单尺度图案，随后系统比较了单/多尺度结构的差异。虽然处理后的表面在激光作用后呈现亲水性，但随时间推移会达到稳态疏水状态。当达到稳态时，多尺度结构金属的接触角比单尺度几何结构高出31°。通过能量色散X射线光谱（EDX）和X射线光电子能谱（XPS）分析了表面化学的影响。最后在激光处理样品上施加疏水剂以进一步提升水接触角并确定表面形貌的纯粹贡献。结果显示多尺度周期性微结构静态接触角达152°±2°且接触角滞后仅4°±2°，而单尺度结构未呈现超疏水特性。这些结果明确表明：多尺度DLIP结构结合表面化学改性可促进超疏水状态的形成。