利用超快飞秒激光对铝合金材料改性制备超疏水表面的应用
通过超快飞秒激光器对铝合金表面进行加工，制造出微观环境下的刻槽阵列，体现出超疏水性。铝合金水接触角增加至155°，滑动角减少至<5°，无任何化学改性，对材料性能无影响，表面上的水滴几乎以完全悬浮的状态存在。加工的材料表现出优异的抗粘附性能和高自清洁性能，简单廉价且无化学改性方法将扩大了铝合金的应用方面。
润湿性是固体材料的固有特性，通常与接触角和滑动角有关，如果一个表面的接触角大于150°，滑动角小于10°，则该表面被视为超疏水表面。超疏水表面的主要用途包括：自清洁、防粘附、防结冰、防水、微流体减阻和防腐蚀。常规制备技术有：化学蚀刻、电沉积、流镀、溶液浸泡、干涉光刻和高速线切割电火花加工。但大部分方法都受到技术复杂性和昂贵设备需求的限制。
表面检测：
通过扫描电子显微镜和共焦激光扫描显微镜观察铝合金表面的形态。表面化学成分通过X射线光电子能谱检测。通过静态接触角和滑动角确定表面的润湿性，使用接触角计在室温下测量静态接触角和滑动角，水滴体积为4μL。
案例展示：
水稻叶片表面的接触角和微观结构如图a和b所示。水稻叶片表面的接触角约为150°。从图b可以看出，水稻叶片表面由许多均匀分布的微尺度槽型结构和突起组成。最近邻槽之间的距离一般在20-30μm之间，微突起的直径约为4-20μm。微突起和槽赋予水稻叶片超疏水特性。这与疏水表面通常与几何微结构和表面粗糙度有关的知识是一致的。制备的铝表面的微观图像如图c所示。表面覆盖着多个凹槽结构，相邻凹槽中心之间的距离约为48μm，每个凹槽的宽度为35–40μm。许多折叠结构也分布在表面上，因此表面粗糙度显著增加。单槽结构如图d所示。从这张照片可以清楚地看出，凹槽表面覆盖着微米和亚微米大小的晶粒，晶粒直径为0.8–5.2μm。
制备方式：
通过超快飞秒激光器光束的强大能量在合金表面上产生跃升高温，导致表面形成路肩，周围是重新沉积的材料区域。由此产生无数波浪状层压结构的微观结构，规则地排列在凹槽内壁上。槽隙的高度由溅射颗粒的堆积决定，如e所示。颗粒在表面上密集分布。这种粗糙结构能够捕获大量空气，从而显著减少水滴与表面之间的实际接触面积，从而防止水滴润湿固体表面。CLSM获得了超疏水表面形态的更直观图像（图f）。制备表面的3D形态呈现出均匀的凹槽，在图中清晰可见。凹槽的上边缘覆盖着许多锥形突起。每个凹槽的深度约为20μm。
化学组成：
超亲水表面和超疏水表面的XPS测量光谱如图3所示，显示了C、O、Si和Al的存在。在超亲水表面（图3a）的XPS光谱中，C1s在284.57 eV处和Si2p在101.7 eV处的强峰，以及在超疏水表面（图3c）的XPS光谱中，C1s在283.86 eV处和Si2p在101.16 eV处的强峰分别可见。与初始铝合金基体相比，激光处理使超疏水表面的C和Si含量降低，但超疏水表面的C含量显著降低，Si含量增加。这意味着在超疏水表面上形成二氧化硅薄膜。通过激光加工制造的样品在空气中放置一段时间后，由于样品与空气之间的接触，可以在样品表面形成二氧化硅薄膜，并且表面能降低。随着在空气中裸露时间的增加，表面能不断降低，使液滴与样品表面的接触状态转变为Cassie理论模型。考虑到已知具有薄薄膜的微结构可以稳定Cassie态，预计这将增强粗糙基底的疏水性。
润湿性：
通过测量水接触角来确定制备表面的润湿性。获得的结果如图4所示。研究了激光加工新制备表面的接触角~0°，表示完全亲水性（图4a）。
a：CA约等于0°（新准备）b：CA=155°（在空气中储存30天）
C：SA约等于4.7° D:放置在表面上的水滴
显微镜下粗糙的结构使得水滴和固体表面之间有很大的实际接触面积。因此，超亲水表面的粗糙度增加了它们的润湿性。我们还评估了放置在空气中30天的样品表面的接触角。接触角增加到154.5±1.5°，滑动角为4.5±1.1°。这表明充气表面不仅具有更大的超疏水性，而且对水的粘附性更低（图4b和c）。图4d中的照片清楚地显示了表面上水滴的形态，呈现出完美的球形状态。
利用超快飞秒激光对铝合金材料改性制备超疏水表面的应用，表面润湿性由亲水变为超疏水，无需任何化学改性。超疏水表面排斥水滴，水滴不粘，轻轻倾斜就能轻易滑出表面。所制备的表面具有优异的抗粘着性能和潜在的自清洁性能。广泛应用在需要自清洁、防粘附、防结冰、防水、微流体减阻和防腐蚀的场景。
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