纳秒激光辐照诱导非晶碳表面形成微纳米多层结构的方法
阅读说明：本技术 纳秒激光辐照诱导非晶碳表面形成微纳米多层结构的方法 (Method for forming micro-nano multilayer structure on amorphous carbon surface through nanosecond laser irradiation induction ) 是由 黄虎 王超 钱永峰 崔明明 洪婧 于 2020-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种纳秒激光辐照诱导非晶碳表面形成微纳米多层结构的方法,属于激光表面改性技术领域。该方法为：将抛光后的非晶碳样品使用无水乙醇进行超声清洗；将纳秒光纤激光器产生的激光由振镜系统进行光路转换与聚焦,之后垂直入射在非晶碳样品表面；控制激光脉冲的辐照时间和能量密度,利用激光的材料去除作用与光的干涉作用在非晶碳表面制备微纳米多层结构。所述的微纳米多层结构包括微米级类酒窝状结构和纳米级同心环状结构。本发明提供的方法简单、高效,形成的表面微结构规整且层次分明,为高效、大面积制备非晶碳表面微纳米多层结构提供了可行方法,在模具成型、表面润湿性、光学特性以及催化特性调节等领域有广泛的应用前景。(The invention relates to a method for forming a micro-nano multilayer structure on an amorphous carbon surface through nanosecond laser irradiation induction, and belongs to the technical field of laser surface modification. The method comprises the following steps: ultrasonically cleaning the polished amorphous carbon sample by using absolute ethyl alcohol; performing light path conversion and focusing on laser generated by a nanosecond fiber laser by a galvanometer system, and then vertically irradiating the laser on the surface of the amorphous carbon sample; and controlling the irradiation time and energy density of laser pulses, and preparing the micro-nano multilayer structure on the surface of the amorphous carbon by utilizing the material removal effect of laser and the interference effect of light. The micro-nano multilayer structure comprises a micron-scale dimple-like structure and a nano-scale concentric ring-shaped structure. The method provided by the invention is simple and efficient, the formed surface microstructure is regular and well-arranged, a feasible method is provided for efficiently preparing the amorphous carbon surface micro-nano multilayer structure in a large area, and the method has wide application prospects in the fields of mold forming, surface wettability, optical characteristics, catalytic characteristic adjustment and the like.)
技术领域
本发明涉及激光表面改性技术领域，特别涉及一种纳秒激光辐照诱导非晶碳表面形成微纳米多层结构的方法。本发明可应用于模具成型、表面湿润性、光学特性以及催化特性调节等领域实现微/纳米多层结构加工。
背景技术
非晶碳是一种由SP2杂化原子组成的非晶结构，具有各向同性的物理化学性能，与此同时它也具有炭材料共有的特性，如良好的热稳定性、耐磨性、化学惰性等。此外，非晶碳还具有优良的力学性能如较高的硬度和杨氏模量等。由于这些特性，非晶碳被广泛用作精密玻璃仪器和金属的热压成型模具材料。目前，用于非晶碳的加工方法有等离子反应刻蚀、聚焦离子束铣削、聚合物成型碳化、激光微铣削等。通过上述几种加工方法虽然已成功制备出微纳米级别的非晶碳模具，但上述方法制备过程比较繁琐，形成的结构比较简单一，难以实现微纳米复合结构的加工。例如，Karin Prater在2016年《Optical Materials Express》第6卷3407-3416（Micro-structuring of glassy carbon for precision glass moldingof binary diffractive optical elements）提出的非晶碳模具制备方法中，虽然可以制备一些简单的结构，但无法制备多层复合结构。大量已有研究结果表明，相比于单一表面结构，微纳米多层结构更容易赋予材料表面特殊的性能，比如提高材料表面的疏水性、增强表面的光学吸收性能、提高表面催化性能等。例如，D. Venkata Krishnan 在2019年《International Journal of Heat and Mass Transfer》第140卷886-896（Wettingtransition in laser-fabricated hierarchical surface structures and its impacton condensation heat transfer characteristics）中提到了多层表面结构可以用于增强材料表面超疏水性能的特性。然而，在不同的材料表面加工微纳米多层结构仍然是一个困难而又关键的课题，尤其是针对非晶碳这种典型的难加工材料，亟待发展新的表面微纳米多层结构加工方法。
激光加工是一种适用性广、环保、灵活的加工方式，近些年来，飞秒或皮秒激光被广泛应用于各种材料表面微纳米复合结构的创成。例如，Chenbin Ma在2019年《Journal ofBionic Engineering》第16卷806-813（Fabrication of regular hierarchicalstructures with superhydrophobic and high adhesion performances on a 304stainless steel surface via picosecond laser）使用皮秒激光在304不锈钢表面制备了微纳米多层结构，改善了表面的疏水性和粘附特性。然而，飞秒或皮秒激光加工成本较高，效率较低。相比于飞秒或皮秒激光加工，纳秒激光加工具有成本低、高效等显著优势，更适合大规模工业应用。因此，基于纳秒激光加工，发展非晶碳表面微纳米多层结构制备新方法是迫切需要的，也具有重要的实际应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳秒激光辐照诱导非晶碳表面形成微纳米多层结构的方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明为非晶碳表面制备微纳米多层结构提供了一种可行方法，通过控制激光参数，可制备单点和多点阵列等不同结构，在模具成型、表面润湿性、光学特性以及催化特性调控等领域有广泛的应用前景。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
纳秒激光辐照诱导非晶碳表面形成微纳米多层结构的方法，通过控制纳秒激光脉冲的辐照时间和能量密度，在空气中对非晶碳表面进行点辐照，利用激光的材料去除作用与光的干涉作用在非晶碳表面制备微纳米多层结构，包括以下步骤：
步骤一、将抛光后的非晶碳样品使用无水乙醇进行超声清洗、干燥，得到预处理的非晶碳样品；
步骤二、将纳秒光纤激光器产生的激光由振镜系统进行光路转换与聚焦，之后垂直入射在步骤一所得的非晶碳样品表面；通过控制纳秒激光脉冲的辐照时间和能量密度，利用激光的材料去除作用与光的干涉作用在非晶碳表面制备微纳米多层结构。
步骤一中所述的超声清洗的清洗温度为50-60℃，清洗时间为4-6min，并在空气中自然干燥。
步骤二中所述的激光为线偏振光，激光频率为500-800kHz，激光波长为1064nm，脉冲宽度为7-30ns。
步骤二中所述的激光脉冲的持续时间为0.8-2ms，激光能量密度为0.21-0.27J/cm2。
步骤二中所述的激光的最大单脉冲能量为0.05J，激光斑点直径为42µm。
所述的微纳米多层结构包括微米级类酒窝状结构和纳米级同心环状结构。
当进行非晶碳表面多点阵列微纳米多层结构制备时，相邻两激光辐照点的间距为10-30µm。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明采用纳秒激光进行加工，加工成本低、效率高，并且加工方式简单，便于广泛应用。
（2）利用本发明在非晶碳表面制备的微纳米多层结构包括微米级类酒窝状结构和纳米级同心环状结构，形成的微纳米多层结构规整、均匀。
（3）本发明可以通过改变间距形成不同样式的图案。
（4）本发明无毒无污染，稳定性好，不需要真空环境。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的纳秒激光诱导非晶碳实验流程图以及微纳米多层结构图像；
图2为本发明的纳秒激光诱导非晶碳表面单点微纳米多层结构的三维光学图像；
图3为本发明的不同脉冲时间下纳秒激光诱导非晶碳表面单点微纳米多层结构的SEM图像；
图4为本发明的纳秒激光诱导非晶碳表面多点阵列微纳米多层结构的SEM图像；
图5为本发明的纳秒激光诱导非晶碳表面多点阵列微纳米多层结构的三维光学图像。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式，但本发明的内容不局限于此，所述实验方法若无特别说明均为常规方法，所述材料和试剂若无特殊说明可从普通渠道获得。参见图1至图5所示，本发明的纳秒激光辐照诱导非晶碳表面形成微纳米多层结构的方法，通过控制纳秒激光脉冲的辐照时间和能量密度，在空气中对非晶碳表面进行点辐照，利用激光的材料去除作用与光的干涉作用在非晶碳表面制备微纳米多层结构，该方法由以下步骤组成：
步骤一、将抛光后的非晶碳样品使用无水乙醇进行超声清洗、干燥，得到预处理的非晶碳样品；
步骤二、将纳秒光纤激光器产生的激光由振镜系统进行光路转换与聚焦，之后垂直入射在步骤一所得的非晶碳样品表面；通过控制纳秒激光脉冲的辐照时间和能量密度，利用激光的材料去除作用与光的干涉作用在非晶碳表面制备微纳米多层结构。
进一步的，步骤一中超声清洗的清洗温度为50-60℃，清洗时间为4-6min，并在空气中自然干燥。
进一步的，步骤二中激光为线偏振光，激光频率为500-800kHz，激光波长为1064nm，脉宽为7-30ns。激光脉冲持续时间为0.8-2ms，激光能量密度为0.21-0.27J/cm2。激光的最大单脉冲能量为0.05J，激光斑点直径为42µm，相邻两激光辐照点的间距为10-30µm。其中激光频率、脉宽、辐照时间、激光能量密度、多点阵列间距等参数可以通过计算机软件方便地调节；实验在室温空气中进行。
实施例1：
本实施例的纳秒激光辐照诱导非晶碳表面形成微纳米多层结构的方法，具体步骤如下：
步骤一、将直径为40mm，厚度为10mm的非晶碳样品先进行抛光，使用无水乙醇进行超声清洗、干燥，得到预处理的非晶碳样品。其中清洗温度为50℃，单次清洗时间为5min。
步骤二、将纳秒光纤激光器产生的激光由振镜系统进行光路转换与聚焦，之后垂直入射在步骤一所得的非晶碳样品表面；通过控制纳秒激光脉冲的辐照时间和能量密度，利用激光的材料去除作用与光的干涉作用在非晶碳表面制备微纳米多层结构。其中激光加工参数为，激光频率为700kHz，脉宽为7ns，激光脉冲持续时间为1ms，激光能量密度为0.235J/cm2。
本实施例中所制备表面单点微纳米多层结构，其中微纳米多层结构包括微米级类酒窝状结构和纳米级同心环状结构，如图1及图2所示，周围材料表面并未受到破坏。其中微米级类酒窝状结构的直径为23.5µm，深度为7.65µm，纳米级同心环状结构周期为550nm左右。
如图3所示，观察到激光脉冲持续时间在0.4-2ms的SEM图，在图3中（c）部分中的微纳米多层结构最为规整清晰，周围只有少量残余颗粒。在激光脉冲持续时间小于等于0.4ms时，纳米级同心环状结构不会产生，激光脉冲持续时间大于等于1.2ms时，纳米级同心圆环结构遭到破坏。
实施例2：
本实施例的纳秒激光辐照诱导非晶碳表面形成微纳米多层结构的方法，具体步骤如下：
步骤一、将直径为40mm，厚度为10mm的非晶碳样品先进行抛光，使用无水乙醇进行超声清洗、干燥，得到预处理的非晶碳样品。其中清洗温度为50℃，单次清洗时间为5min。
步骤二、将纳秒光纤激光器产生的激光由振镜系统进行光路转换与聚焦，之后垂直入射在步骤一所得的非晶碳样品表面，通过改变激光加工参数制备5×5多点阵列微纳米多层结构。其中激光加工参数为，激光频率为700kHz，脉宽为7ns，激光脉冲持续时间为1ms，激光能量密度为0.235J/cm2，相邻两激光辐照点的间距为20µm。
本实施例中所制备微纳米多层阵列结构，如图4及图5所示，其中阵列结构规整且层次分明，单点微纳米多层结构保持性良好，说明本发明可以进行大面积应用。
从实验结果可以看出，利用本发明提出的方法，通过纳秒激光辐照非晶碳表面，可以在非晶碳表面制备微纳米多层结构，并且所产生的结构可以进行大面积制备。方法简单、高效，形成的表面微结构规整且层次分明，为高效、大面积制备非晶碳表面微纳米多层结构提供了可行方法，在模具成型、表面润湿性、光学特性以及催化特性调节等领域有广泛的应用前景。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。