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本文中结合前期实验数据以及前人的加工经验,获得了3组较为理想的工艺参数,如表 1所示,加工结果如表 2所示。理论研究表明[3, 7],沟槽深宽比越大,吸液芯毛细压力越大,毛细流动特性越有利于增强均热板的传热性能。因此,使用第1组参数最有利于提升均热板的传热性能,且其加工出的微沟槽轮廓规则,如图 1所示,可以运用于沟槽式吸液芯中。
type laser power/ W repetition frequency/ kHz scanning rate/ (mm·s-1) scanning times defocus amount/ mm number of transverse overlap of laser spot 1 10 150 125 35 -2 0 2 10 150 150 40 -1.5 0 3 10 150 175 30 -1.5 0 type groove depth/μm groove width/μm groove aspect ratio 1 117.378 40.500 2.898 2 105.679 41.617 2.539 3 76.523 33.522 2.283 本文中以上述参数作为初始参数,通过改变其中3种工艺参数:激光扫描速率、激光扫描间距、激光光斑横向重叠次数,依次进行单因素实验,研究紫外皮秒激光对微沟槽表面疏水性能的影响,如表 3所示。其中,光斑横向重叠次数即在完成加工区域扫描后,使激光沿着扫描路径偏移一定的距离(10μm)继续线扫描[8]。
scanning rate/ (mm·s-1) scanning distance/ μm number of transverse overlap of laser spot 125 100 0 150 200 1 175 300 2 — 400 3 — 500 4 -
面粗糙度对样件表面的疏水性能有着直接的影响,当材料表面所展现出疏水性能时,其静态接触角随样件表面粗糙度的增大而增大[9]。因此,本文中以微沟槽表面的面粗糙度Ra作为评价紫外皮秒激光的工艺参数对微沟槽表面疏水性能影响的指标之一。
此外,工质液滴在样件表面的接触角可以直接反应疏水性能的好坏。本文中也以液滴在微沟槽表面上接触角的大小作为评价指标。由于沟槽具有各项异性,使得水滴以长形条状存在于微沟槽表面,不同的方向看到的接触角的大小均不相同,所以需要测量两个方向的接触角,即水滴垂直于沟槽方向的接触角θv和平行于沟槽方向的接触角θl[10]。
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本文中采用尺寸为50mm×50mm×1.5mm的紫铜作为基板材料,实验前,依次用800目、1500目、2000目的碳化硅砂纸对紫铜基板打磨抛光后进行超声波清洗,去除附着在材料表面的杂质与油污。
本文中采用型号为EP-UVPS08的紫外皮秒激光打标机对紫铜基板进行加工;EP-UVPS08紫外皮秒激光打标机所用激光波长为355nm,脉宽为15ps,最大输出功率为10W,最大加工频率为1000kHz。采用OLS4000激光共聚焦显微镜对微沟槽的几何轮廓及其表面粗糙度Ra进行观察与测量;采用SU8220扫描电镜对微沟槽表面微观形貌以及各元素占比进行观测和定量分析;采用OCA15Pro视频光学接触角测量仪测量水滴在微沟槽表面上的接触角大小。
1.1. 参数选择与实验变量
1.2. 微沟槽表面疏水性评价指标
1.3. 实验材料与设备
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只改变激光扫面速率,激光加工间距300μm,代入表 3中相对应的变量参数,得到了具有不同程度的疏水性微沟槽表面,如表 4所示。
scanning rate/(mm·s-1) 125 150 175 groove depth/μm 82.987 71.186 64.522 groove width/μm 39.826 40.134 39.903 surface roughness Ra/μm 4.774 3.585 3.351 contact angle parallel to the groove θl/(°) 99.6 104 111.7 contact angle perpendicular to the groove θv/(°) 138.5 121.6 116.5 由于激光光斑受到限制,沟槽宽度变化不大,沟槽深度随着激光扫描速率的增加而减小,这主要是因为随着扫描速率增大,辐照区域内材料吸收的激光能量减少,材料的去除率降低,因此沟槽深度减小[17]。
由表 4可知,垂直方向的接触角始终大于平行方向的接触角,且随着沟槽深度的增加,垂直接方向的触角增大,但平行方向的接触角反而呈小幅度减小的趋势。这是因为在垂直于沟槽的方向上,液体若想得到扩张,就需要能量突破该方向上存在着的连续且高能量的壁垒[18],但是液滴的能量远小于沟槽垂直方向的壁垒的能量,因此其在垂直方向上很难扩张,接触角相对较大;但是在平行方向上不存在这种能量壁垒,所以液滴可以在平行方向不断延伸,接触角不断下降[19]。
垂直方向上,由于沟槽变深,沟槽表面的起伏程度变大,表面粗糙度明显增加,沟槽当中的微纳结构占比大幅上升,因此沟槽内截留的空气随着沟槽深度的增加而增多,截留的空气堆积在沟槽内部,其含量明显高于未加工处。由于空气的堆积,沟槽表面会形成一层空气垫,将水滴托起,增大了气-液接触线长度,有效减小了固-液区域的接触面积,这与WANG[20]、KONG[21]和LIU[22]等人所设计、分析的微结构理论模型的结论相一致。综上所述,沟槽越深,其内部可封存更多的气体,使得疏水性能够得到有效提升[20]。
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只改变激光扫面间距,代入表 3中相对应的变量参数,得到了具有不同程度的疏水性微沟槽表面,如表 5所示。
scanning distance/μm 100 200 300 400 500 groove depth/μm 82.987 80.384 84.115 79.092 79.426 groove width/μm 39.826 35.502 39.208 37.355 39.208 surface roughness Ra/μm 9.957 6.489 4.774 2.972 2.506 contact angle parallel to the groove θl/(°) 119.7 114.9 102.6 92.7 91.6 contact angle perpendicular to the groove θv(°) 153.6 145 138.5 120.2 110.6 calculation of contact angle by Cassie-Baxter model/(°) 102.856 95.358 92.307 90.647 89.602 结合表 5与图 7分析可知,加工时,激光扫描间距的改变并不影响单根微沟槽的宽度与深度,但随着激光扫描间距的增加,相邻的沟槽间距变宽,在相同放大倍数的观测区域内观测到的微沟槽的数量明显下降。结合(5)式分析可知,沟槽间距变宽直接导致了固-液表面的接触面积分数增加,使得接触角降低。从机理方面分析,是因为沟槽间距的变宽整体的减少了微沟槽表面的起伏程度,微纳结构的占比降低,导致微沟槽表面粗糙度下降;同时,由于沟槽数量的减少,使得沟槽内部无法过多截留空气,且激光加工时样件表面吸附的疏水性化学基团减少,导致微沟槽表面疏水性能下降。综合以上分析,随着激光加工间距的增大,微沟槽表面的各项有利于疏水的因素减少,疏水性能降低。
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只改变光斑横向重叠次数,代入表 3中相对应的变量参数,为了保证变光斑横向重叠次数变多时沟槽与沟槽之间互不影响,本文中选用激光加工间距为200μm的加工参数进行实验;得到了具有不同程度的疏水性微沟槽表面,如表 6所示。
number of transverse overlap of laser spot 0 1 2 3 4 groove depth/μm 80.384 85.214 86.149 65.770 61.522 groove width/μm 35.502 47.083 56.579 66.770 76.961 surface roughness Ra/μm 6.489 9.058 11.354 11.906 12.686 contact angle parallel to the groove θl/(°) 114.9 112.8 118.5 110.7 105.9 contact angle perpendicular to the groove θv/(°) 145 154.9 156.9 143.7 138.6 calculation of contact angle by Cassie-Baxter model/(°) 95.358 96.893 98.776 100.658 102.412 由实验结果可知,随着光斑横向重叠次数增加,沟槽表面的粗糙度不断上升,沟槽变宽,深度由深变浅;当光斑横向重叠0~2次时,微沟槽表面的接触角随着重叠次数的增加而增大,但是当重叠次数为3~4次时,微沟槽表面的接触角随着重叠次数的增加不断减小,这与通过Cassie-Baxter理论模型计算得到的接触角及面粗糙度的趋势不同。
使用扫描电镜以和激光共聚焦显微镜得到了光斑横向重叠次数不同时,沟槽的表面形貌以及横向剖面图,如图 8所示。随着光斑横向重叠次数的增加,微沟槽底部逐渐形成凸起,沟槽表面一端逐渐堆积起不规则的熔融物。光斑横向重叠0~2次时,微沟槽仍可以保持正常的轮廓形貌,当其横向重叠3~4次时,微沟槽无法保持正常的轮廓形貌,且沟槽旁边的熔融物逐渐变大增多。
造成上述原因,是因为光斑横向重叠加工时:一方面光束无法聚焦到同一平面,导致被加工部分吸收到的能量不均匀,靠近沟槽边缘的部分容易被光束聚焦,因此材料去除量相对较大;靠近沟槽内部的部分由于具有一定的深度,很难被光束聚焦,因此材料去除量相对较小。由于沟槽内各处材料的去除量不同,因此其底部逐渐产生了凸起。另一方面,加工时金属熔滴向两边喷溅,其中一部分喷溅并堆积在了微沟槽表面,形成了许多不规则的熔融物,且熔融物随着横向重叠次数的增多而逐渐增大,另一部分喷溅到微沟槽底部并堆积,使得沟槽深度降低的同时,又形成了凸起。
综上所述,光斑适量的横向重叠,不仅不会过度破坏微沟槽的结构,还可以增大微沟槽宽度,增加微纳结构,这有利于截留空气、提升被吸附的疏水性化学基团的含量,从而增强微沟槽表面的疏水性;相反,过度的横向重叠,虽然大量不规则熔融物使得面粗糙度得以提升,但同时严重破坏了微沟槽原有的形貌,过多的飞溅物还会堆积成大型熔融物,减少了原有微纳结构与疏水化学基团的占比,大幅降低了微沟槽表面的疏水性。