激光纹理处理与PDMS涂层的结合，用于定制表面能和疏水性

《Surfaces and Interfaces》：Integration of Laser Texturing and PDMS Coating for Tailoring Surface Energy and Hydrophobicity

激光纹理化与PDMS涂层结合制备不锈钢超疏水表面，测试五种纹理图案发现N8和Cone-pillar在深度和均匀性上最优，涂覆后接触角达149.62°，表面能降至1.7 mJ/m2，但长期稳定性存在降解

　　本研究围绕如何在高铬硬化不锈钢材料表面生成稳定的疏水表面展开，旨在为生物医学设备和防锈工具等应用提供一种可行的解决方案。疏水表面在多个领域具有重要意义，尤其是在减少污染、提高设备安全性与操作效率方面。然而，现有的制造方法往往难以在实际应用中实现持久的疏水性能，因此需要一种更为稳定和可靠的策略。本文提出了一种结合激光微结构化与先进涂层的双步骤方法，通过精确的参数控制和合理的表面设计，实现了在不锈钢材料上形成具有优异疏水性能的表面。研究结果表明，这种方法不仅能够显著提升表面疏水性，还能够在较长时间内保持其稳定性，为工业应用提供了重要的参考价值。

激光微结构化技术在现代材料科学中扮演着关键角色，其核心在于利用聚焦的激光束在材料表面产生微米乃至纳米级别的纹理结构。这种方法的优势在于其非接触式加工、高精度控制以及适用于多种材料的能力。通过调整激光参数，如激光功率、扫描速度、扫描间距和重复次数，可以有效地控制表面纹理的形成。在本研究中，五种不同的激光纹理模式被设计和应用，这些模式不仅在几何结构上各具特色，还在实际应用中展现出不同的疏水效果。其中，N8和Cone-pillar模式由于其较高的结构深度和均匀性，被证明在提升疏水性方面具有显著优势。

为了进一步增强表面的疏水性能，研究团队在激光结构化的样品上施加了一种超高交联的聚二甲基硅氧烷（PDMS）保护涂层。PDMS作为一种广泛应用于生物医学和工业领域的材料，因其低表面能和优异的水排斥性能而受到关注。这种涂层不仅提高了表面的疏水性，还有效改善了材料的化学稳定性和机械强度。通过将激光纹理与PDMS涂层结合，研究团队成功实现了接近超疏水的表面特性，使得接触角达到149.62°，表面能降至1.7 mJ/m2。这一成果表明，激光结构化与涂层技术的协同作用能够显著提升表面的疏水性能，为相关领域的技术发展提供了新的思路。

表面结构的优化是实现疏水性能的关键因素之一。在激光加工过程中，表面的微纳结构不仅影响了液体在表面上的铺展行为，还决定了其与水的相互作用方式。通过扫描电子显微镜（SEM）和共聚焦显微镜等手段，研究团队对不同激光纹理模式下的表面形貌进行了详细分析。结果显示，N8模式和Cone-pillar模式在结构深度和均匀性方面表现突出，这使得它们在疏水性能上优于其他模式。同时，研究还发现，激光加工过程中熔融材料的形成与空气流动条件密切相关。在高压空气环境下，熔融材料的冷却速度加快，结构更加均匀，从而提高了表面的疏水性。

除了物理结构的影响，表面化学成分的变化也在疏水性能的提升中起到了重要作用。通过能量色散X射线光谱（EDX）分析，研究团队对不同处理方式下的样品进行了元素组成检测。结果显示，激光结构化处理后的样品中，铬元素的含量有所增加，而碳元素的含量减少，这可能与激光加工过程中材料表面的氧化和重组有关。而在施加PDMS涂层后，样品中的铁元素含量明显降低，同时氧和硅元素的含量显著增加，这表明涂层材料有效地改变了表面的化学组成，为疏水性能的提升提供了化学层面的支持。

为了评估疏水性能的长期稳定性，研究团队对不同激光纹理模式的样品进行了时间序列的接触角和表面能测量。结果显示，随着时间的推移，所有样品的疏水性均出现了一定程度的下降，但某些纹理模式表现出更好的稳定性。例如，Balls和Cone-pillar模式的疏水性能在较长时间内保持相对稳定，而N6和Frost模式则更容易受到环境因素的影响，导致疏水性的快速下降。这一发现强调了在设计疏水表面时，不仅要考虑表面的几何结构，还需要关注其化学稳定性，以确保长期的性能表现。

研究还指出，表面的非极性特性是实现疏水性能的重要基础。非极性表面由于其较低的表面能，能够有效减少与水分子之间的相互作用，从而降低接触面积，提高接触角。结合激光结构化和PDMS涂层，这种非极性特性得到了进一步强化，使得表面能够更有效地排斥水分。此外，激光结构化所形成的微纳结构在疏水性能中起到了关键作用，通过在表面形成空气陷阱，进一步降低了液体与固体之间的接触面积。这种空气陷阱效应不仅提升了疏水性，还增强了表面的自清洁能力，使其在实际应用中更加可靠。

在实验过程中，研究团队还探讨了激光加工参数对表面性能的影响。例如，激光脉冲宽度、扫描速度和重复次数等参数的调整，直接影响了表面纹理的形成和疏水性的表现。通过优化这些参数，研究团队成功实现了对表面结构的精确控制，从而在提升疏水性能的同时，避免了过度的热影响。这种参数优化不仅提高了实验的可重复性，还为实际工业应用提供了可行的技术路径。

此外，研究团队还对激光结构化后的表面进行了聚焦离子束（FIB）分析，以进一步探究其微观结构特性。FIB技术能够对表面进行高精度的切割和观察，从而揭示激光结构化过程中形成的微观特征。结果显示，激光结构化后的表面在涂层覆盖后变得更加均匀，原有的尖锐结构被平滑化，这有助于提高表面的整体性能。同时，涂层的厚度控制在约300 nm，这一厚度既保证了涂层的机械强度，又不会对表面的微纳结构造成破坏，从而在保持疏水性能的同时，提升了表面的耐用性。

在实际应用中，疏水表面的稳定性直接关系到其在生物医学设备、防锈工具等领域的表现。例如，在手术器械的设计中，疏水表面能够有效减少液体与金属表面的接触，从而降低摩擦力，提高操作精度。此外，疏水表面还能够减少细菌的附着，降低污染风险，这对于医疗设备的清洁和消毒具有重要意义。因此，本研究提出的方法不仅在实验室条件下取得了良好的效果，还具备广泛的应用前景。

研究团队还对不同纹理模式下的表面进行了长期监测，发现某些纹理模式在特定条件下能够保持更长的疏水性能。例如，Balls和Cone-pillar模式由于其较高的结构深度和均匀性，在时间推移下表现出更好的稳定性。这表明，在实际应用中，选择合适的纹理模式对于确保疏水性能的持久性至关重要。同时，研究还发现，某些纹理模式在受到污染或氧化影响后，其疏水性能下降速度较快，这提示我们在设计疏水表面时，还需要考虑其对环境变化的抵抗能力。

综上所述，本研究通过结合激光结构化与PDMS涂层技术，成功实现了在高铬硬化不锈钢表面形成具有优异疏水性能的材料。这种双步骤方法不仅提高了表面的疏水性，还增强了其长期稳定性，为生物医学设备和防锈工具的开发提供了新的思路和技术支持。未来的研究可以进一步探索不同环境条件下这些表面的性能变化，以及如何通过材料改性和表面工程优化其疏水特性，以满足更广泛的应用需求。