超浸潤表面因在液滴運輸、防污染等領域的巨大潛力成為研究熱點，不銹鋼作為常用工程材料，其表面潤濕性調(diào)控對拓展應用至關重要。納秒激光技術為不銹鋼表面超浸潤改性提供了有效途徑，而機械耐久性是其實際應用的關鍵瓶頸。本研究借助精密測量技術，如光子灣科技的共聚焦顯微鏡，通過觀測表面微觀結(jié)構(gòu)演變，系統(tǒng)探究納秒激光制備的超浸潤不銹鋼表面機械耐久性，為其工程應用提供理論與實驗支持。

一、研究背景

表面潤濕性是材料重要特性，超浸潤表面因液體特殊行為在工業(yè)中潛力巨大。不銹鋼潤濕性不足限制性能，納秒激光可通過調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)超浸潤改性，但機械耐久性研究不足。自然界超浸潤現(xiàn)象表明，特殊微觀結(jié)構(gòu)與化學成分是超浸潤性能的核心成因，表面粗糙度對潤濕性的調(diào)控作用尤為關鍵。現(xiàn)有制備方法中，納秒激光刻蝕因可控性強為優(yōu)選。本研究采用兩次納秒激光刻蝕在 304 單鏡面不銹鋼表面構(gòu)建多尺度結(jié)構(gòu)，結(jié)合表征技術探究其超浸潤性能與機械耐久性。

二、實驗材料與方法

實驗工藝流程

1. 材料與儀器

實驗以 20mm×20mm×2mm 的 304 單鏡面不銹鋼為基體，試劑包括無水乙醇、丙酮、去離子水、月桂酸。儀器有納秒脈沖激光打標機（功率 8W，波長 532nm）、接觸角測量儀、場發(fā)射掃描電鏡（SEM）、共聚焦顯微鏡、觸針式粗糙度測量儀。

2. 實驗流程

超親水表面：不銹鋼經(jīng)超聲清洗后，采用兩次納秒激光刻蝕（一次：20mm/s，0.18mm，雙向；二次：200mm/s，0.05mm，雙向），構(gòu)建多尺度分層復合微納米結(jié)構(gòu)。

超疏水表面：對上述超親水表面進行月桂酸化學修飾（120℃，30min），降低表面能。

3. 性能測試

通過標準化線性磨損實驗（100g 載荷，1000 目砂紙）評估機械耐久性，結(jié)合接觸角 / 滾動角測量、SEM、共聚焦顯微鏡觀測表面性能與結(jié)構(gòu)演變。

三、多尺度分層復合微納米超親水表面研究

共聚焦顯微鏡觀測多尺度分層復合微納米超親水表面

1. 制備與性能

適宜參數(shù)下制備的超親水表面，水滴鋪展時間 0.267s，接觸角 0°。共聚焦顯微鏡

觀測顯示，表面存在 45.895μm 的凸起與 20-40μm 的凹槽，形成多尺度分層結(jié)構(gòu)，粗糙度 Ra 為 8.0509μm，Rt 為 112.6373μm。

2. 機械耐久性

標準化線性磨損 6m 后，表面仍保持超親水，水滴鋪展時間＜1s。SEM 與共聚焦顯微鏡

觀測表明，中心區(qū)域多級結(jié)構(gòu)保存完好，凹槽內(nèi)微納米結(jié)構(gòu)未嚴重受損，證實多尺度結(jié)構(gòu)提升耐磨性。

四、多尺度分層復合微納米超疏水表面研究

多尺度分層復合微納米超疏水表面三維形貌圖

1. 制備與性能

化學修飾后的超疏水表面，接觸角 159°，滾動角 2°。共聚焦顯微鏡顯示，表面保留多尺度結(jié)構(gòu)，月桂酸修飾后形成低表面能層，減少液固接觸面積。

2.機械耐久性

磨損 10m 后，接觸角仍達 150° 左右。觀測發(fā)現(xiàn)，表面一級凸起先磨損，二級結(jié)構(gòu)持續(xù)支撐超疏水性能，分層結(jié)構(gòu)有效延緩性能衰減。

研究表明，兩次納秒激光刻蝕構(gòu)建的多尺度分層復合微納米結(jié)構(gòu)，顯著提升不銹鋼表面超浸潤性能與機械耐久性：超親水表面磨損 6m 仍保性能，超疏水表面磨損 10m 接觸角＞150°。共聚焦顯微鏡為觀測結(jié)構(gòu)演變、揭示耐磨機理提供了關鍵數(shù)據(jù)。光子灣科技共聚焦顯微鏡憑借在微觀結(jié)構(gòu)觀測中的高精度優(yōu)勢，將持續(xù)為超浸潤表面的性能優(yōu)化與工程應用提供有力支持，助力其在半導體等領域的實際落地。

光子灣3D共聚焦顯微鏡

光子灣3D共聚焦顯微鏡是一款用于對各種精密器件及材料表面，可應對多樣化測量場景，能夠快速高效完成亞微米級形貌和表面粗糙度的精準測量任務，提供值得信賴的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

超寬視野范圍，高精細彩色圖像觀察

提供粗糙度、幾何輪廓、結(jié)構(gòu)、頻率、功能等五大分析技術

采用針孔共聚焦光學系統(tǒng)，高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設計

提供調(diào)整位置、糾正、濾波、提取四大模塊的數(shù)據(jù)處理功能

光子灣共聚焦顯微鏡以原位觀察與三維成像能力，為納秒激光制備超浸潤不銹鋼表面機械耐久性研究提供表征技術支撐，助力從表面粗糙度與性能分析的精準把控，成為推動半導體等領域質(zhì)量升級的重要光學測量工具。