摘 要

本文借助飞秒激光微纳米加工技术在超薄铝箔表面构建了覆盖有纳米结构的规则微孔阵列。探究在加工过程中，多个加工参数（脉冲能量、脉冲个数）对微孔的形成过程以及表面润湿性的影响。根据设计的空气中超亲水/水下超疏油和空气中超疏水/水下超亲油微孔阵列表面，探究了不同参数下制备的微孔对油水分离速率的影响。

本文主要研究内容如下：

1、控制激光功率一定，通过扫描电子显微镜观察不同脉冲个数形成微坑到微孔的形貌，以及微孔一步步的形成过程。

2、测试微坑阵列和微孔阵列表面的润湿性，通过接触角测量仪观察并测量表面接触角的变化。

3、测试不同参数的微孔阵列的油水分离速率。将加工后的微孔阵列超薄铝箔放置于定制的油水分离器中作为过滤膜，测试对油与水的分离。

研究结果表明：基于飞秒激光微纳米加工技术在超薄铝箔表面构建周期微孔阵列制备的油水分离装置，在空气中具有超亲水的特性，在水下具有超疏油的特性，可以用于实现连续油水分离，实现油的回收再利用。

本文的特色：利用飞秒激光微纳米加工技术在超薄铝箔表面构建周期微孔阵列制备了一种新型的仿生超浸润表面，克服了传统加工方法步骤繁琐等不足，所制备的样品可以实现油水连续分离，并且分离后的油液可以再利用，可以在许多方面得到广阔的应用。

关键词：飞秒激光；超薄铝箔；油水分离；仿生超级浸润

Abstract

In this thesis, we use the femtosecond laser micro/nano machining technology to build the large-area regular micropore arrays which are covered with nanostructures on the ultrathin aluminum foil surface. This novel foil is built by femtosecond laser irradiation. We explored different parameters which will significantly affect the morphology of the micropores and their wet ability, such us pulse energy, pulse number and the spacing between two adjacent pores. We studied the formation mechanism of the cone pore and its contribution to the surface wet ability. Finally the oil/water separation speed is studied by systematically analyzing the pore diameters and the eccentricity.

Our main research content is as follows:

1、Keeping the laser pulse energy constant, we adjusted the pore’s morphology by skillfully change the laser pulse number. Using the scanning electron microscope (SEM) to observe the formation of cone pores.

2、We tested the wet ability of the micropit array and micropore array, the change of contact angles of water or oil droplet are measured by using a contact-angle system(CA100D,Innuo,China).

3、 Testing the oil/water separation speed of micropore arrays with different micropore size and intervals. A special tube is designed to test the separation of the oil/water mixture.

The results showed that a new oil/water separation device can continuously separate oil and water mixtures as well as recycling the oil resources for reuse due to its superhydrophilicity and underwater superoleophobicity ability.

In summary, we have demonstrated a new bionic super wettability oil/water separation device based on micropore arrayed ultrathin aluminum foil fabricated by femtosecond laser perforating, this novel separation strategy overcomes the shortcoming of conventional methods, and the as prepared sample can continuously separating oil/water mixture and the oil after separation can be reused, can be widely applied in many other broader fields.

Key words: Femtosecond laser; Ultrathin aluminum foil; Oil/water separation; Bionic super wettability

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 湿润性相关概念 1

1.3 仿生超浸润表面研究目的及意义 3

1.4 国内外研究现状 3

1.5 本文的主要工作 7

第2章 飞秒激光金属加工原理及方法 9

2.1 飞秒激光加工金属的物理过程 9

2.2 飞秒激光加工金属的理论模型 9

2.3 飞秒激光加工金属微孔的主要方法 10

第3章 飞秒激光超浸润表面加工实验研究 12

3.1 飞秒激光加工系统 12

3.2 实验样品及材料参数 13

3.3 飞秒激光加工工艺流程 13

3.4 材料表征 13

3.5 飞秒激光加工参数对铝箔形貌的影响 14

3.5.1 激光脉冲个数对铝箔形貌的影响 14

3.5.2 激光功率对铝箔形貌的影响 16

3.6 结果与讨论 19

第4章 仿生超浸润表面性能分析 20

4.1 材料表征与性能测试 20

4.1.1 材料表征 20

4.1.2 材料表面接触角变化 20

4.1.3 材料的油水分离性能 24

4.1.4 材料的可靠性分析 28

4.1.5 材料的多功能应用 29

4.2 结果与讨论 30

第5章 总结与展望 31

5.1 全文总结 31

5.2 环境影响分析 31

5.3 经济性分析 32

5.4 展望 32

参考文献 33

致 谢 35

1. 绪论

1.1 引言

在长久的进化中，自然界的生物为了顺应环境演化出了许多特殊的才能。例如莲叶表层的尘土会被降雨形成的水珠粘附滚落，从而保持莲叶表层的洁净^[1]；生活在沙漠里的甲虫能靠背部从雾中收集水分^[2]；水黾能轻松行走于水面上甚至能在水面上敏捷运动^[3]；鱼类能够在受油污污染的水域自由游动^[4]……水在生物表面特殊的浸润性造就了生物表面这些独特的能力，而浸润性则取决于生物表面的微纳结构，如荷叶表层的二级微纳乳突结构和表层蜡状物质使得荷叶表层具有超疏水性^[5]。受到自然界中生物系统结构、性质、行为、原理及调控机制的启发，人类结合机械与生命科学、信息和材料等学科创造了仿生学。仿生学就是通过系统地研究某些生物体的结构功能、工作原理或者调控机理，建立数学模型，完成对生物功能的工程模拟^[6]。