一種激光束直寫構造圖形化磁性微納結構的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于激光加工領域，具體涉及一種激光束直寫構造圖形化磁性微納結構的方法。
【背景技術】
[0002]經(jīng)過億萬年的自然進化，自然界中動植物的表面逐漸地形成了特殊的結構形態(tài)，這些特殊的結構形態(tài)賦予了動植物表面獨特的、優(yōu)異的功能特性，比如超疏水性、自清潔效應等。大自然中具有超疏水特性的動植物表面很多，其中荷葉、水黽腿、水稻葉、蝴蝶翅膀和玫瑰花瓣是生物超疏水表面的典型代表。通常，仿生超疏水表面的制備方法有兩種:一是在固有疏水的固體表面上構建粗糙結構，比如大多數(shù)聚合物；二是先在固有親水的固體表面上構建粗糙結構，比如碳、娃、金屬及其氧化物等，然后使用低表面能材料對粗糙結構進行表面化學修飾以降低基體材料的表面吉布斯自由能，比如各種含氟有機化合物。在固體表面構建粗糙結構的方法主要有物理/化學氣相沉積、相分離、化學/激光刻蝕、電化學沉積和化學鍍等。
[0003]眾所周知，金屬表面具有較高的表面自由能，是典型的固有親水性材料。幾乎所有的液體都能很容易地在金屬表面鋪展，并潤濕金屬表面。所以，金屬超疏水表面的制備通常需要在金屬基體上構建粗糙結構，并使用低表面能材料(例如各種含氟有機物)對粗糙表面進行表面化學修飾以降低金屬材料的表面自由能。然而，相對于金屬表面，有機物化學修飾層的熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性差，在極端惡劣的環(huán)境中容易受到破壞，進而造成金屬表面超疏水性的喪失。此外，化學修飾層還會影響金屬材料的固有性質，比如表面導電性等。因此，制備沒有任何表面化學修飾的超疏水金屬表面特別是自清潔金屬表面無論是在理論研究方面還是在實際應用方面都具有很重要的現(xiàn)實意義。
[0004]磁性是物質的一種基本屬性。磁性材料是具有磁有序的強磁性物質，廣義還包括可應用其磁性和磁效應的弱磁性及反鐵磁性物質。物質按照其內(nèi)部結構及其在外磁場中的性狀可分為抗磁性、順磁性、鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性物質。鐵磁性和亞鐵磁性物質為強磁性物質，抗磁性和順磁性物質為弱磁性物質。磁性材料按性質分為金屬和非金屬兩類，前者主要有電工鋼、鎳基合金和稀土合金等，后者主要是鐵氧體材料。按使用又分為軟磁材料、永磁材料和功能磁性材料O
[0005]磁性粉末的尺寸從毫米、微米直至納米均可制備，顆粒形態(tài)可以是球狀、片狀、針狀等等。磁性粉末的生產(chǎn)方法通常按轉變的作用原理分為機械法和物理化學法兩類，既可從固、液、氣態(tài)金屬直接細化獲得，又可從其不同狀態(tài)下的金屬化合物經(jīng)還原、熱解、電解而轉變制取。難熔金屬的碳化物、氮化物、硼化物、硅化物一般可直接用化合或還原-化合方法制取。因制取方法不同，同一種粉末的形狀、結構和粒度等特性常常差別很大。粉末的制取方法很多種，其中應用最廣的是還原法、霧化法、電解法。
[0006]激光加工是將激光束照射到工件的表面，以激光的高能量來切除、熔化材料以及改變物體表面性能。由于激光加工是無接觸式加工，工具不會與工件的表面直接磨察產(chǎn)生阻力，所以激光加工的速度極快、加工對象受熱影響的范圍較小而且不會產(chǎn)生噪音。由于激光束的能量和光束的移動速度均可調節(jié)，因此激光加工可應用到不同層面和范圍上。
[0007]直寫技術不是一種單一的工藝，而是從快速原型制造領域發(fā)展起來的制造電子傳感元件和微結構的一類新工藝技術的統(tǒng)稱，但“直寫”(Direct Write) 一詞并非新概念，如我們用筆寫字就屬于一種典型的直寫工藝過程，它本質上可看作是在大腦意識中的字體筆劃圖形驅動下的油墨材料沉積過程(從筆內(nèi)流出沉積到紙張上)。在此基礎上，可以認為“任何可以由預先設計的圖形數(shù)據(jù)驅動在某種材料表面實現(xiàn)材料的沉積、轉移或處理的工藝或技術”均可歸之為直寫技術，換言之，任何不是由圖形數(shù)據(jù)直接驅動的加工方法，如硅基微加工工藝、LIGA工藝等，均不屬于直寫技術。
[0008]直寫技術是多種多樣、不同功能、多種尺度(亞微米至毫米量級)加工的一批工藝技術，目前有文獻和專著報道的直寫工藝和技術就有數(shù)十種之多，各自使用的加工工具和適用材料也都不盡相同。激光直寫刻蝕技術是直寫技術中的一種，其采用激光束作為熱源，通過對材料的逐點逐層刻蝕實現(xiàn)平面圖形和三維結構的制造。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于提供一種激光束直寫構造圖形化磁性微納結構的方法，該方法利用調控磁場有序排列基板表面的微、納米尺寸磁性材料顆粒，通過精確控制激光功率和掃描速度使得磁性材料顆粒部分熔化焊接固定，從而實現(xiàn)一種圖形化磁性微納結構的制造，由于微納結構的尺寸和圖形可控，從而可以方便的調控其表面超疏水、電磁波吸收和反射特性。
[0010]本發(fā)明是通過如下技術方案實現(xiàn)的:
[0011]一種激光束直寫構造圖形化磁性微納結構的方法，包括如下步驟:
[0012](I)在基板表面至少平鋪一層以上的磁性材料顆粒，之后施加可控磁場，使得磁性材料顆粒在基板表面按照磁場的磁力線有序排列；其中，基板的材料要求為具有良好導熱性，基板的總厚度小于5_，基板的熔點不低于磁性材料顆粒的熔點；
[0013](2)根據(jù)預先設計的微納結構圖形，利用激光束從基板的背面一側入射掃描，激光束輻照處吸收激光能量而發(fā)生極速升溫，使得基板背面被輻照的區(qū)域不發(fā)生熔化或薄層熔化；對應基板正面的磁性材料顆粒表面部分熔化，冷卻后實現(xiàn)磁性材料顆粒與基板的焊接;
[0014](3)重復步驟(1)_(2)，實現(xiàn)多層、不同尺寸、有序的磁性微納結構制備；其中，在每一次重復步驟(1)-(2)的時候，要求當前所使用的磁性材料顆粒的熔點不高于前序步驟中所使用的磁性材料顆粒的熔點。
[0015]優(yōu)選的，在基板之下還設置有一附加層，所述附加層對激光的透射率超過80%。
[0016]優(yōu)選的，步驟(I)中磁性材料顆粒可以是直接放置在基板表面，也可以是先分散到液體中，之后涂覆在基板表面，施加磁場使其中顆粒排序之后再自然蒸發(fā)或加熱蒸發(fā)去除液體分散劑。
[0017]本發(fā)明的有益效果在于:
[0018]1、本發(fā)明利用調控磁場來有序排列基板表面的微、納米尺寸磁性材料顆粒，通過精確控制激光功率和掃描速度使得磁性材料顆粒部分熔化焊接固定，從而實現(xiàn)了一種圖形化磁性微納結構的制造，由于微納結構的尺寸和排序圖形可控，從而調控其表面超疏水、電磁波吸收和反射特性，尤其是可以制備沒有任何表面化學修飾的超疏水金屬表面，以及具有超低反射率的電磁波吸收體，在工業(yè)、國防領域具有重要意義。
[0019]2、本發(fā)明兼容各自磁性材料顆粒和基板的組合，比現(xiàn)有的傳統(tǒng)方法如物理/化學氣相沉積、相分離、化學/激光刻蝕、電化學沉積和化學鍍等，具有更好的材料相容性，更可以實現(xiàn)不同材料的有序圖形化堆積，特別是針對于金屬超疏水表面制備時，可以將具有不同表面自由能的基板材料、磁性材料任意搭配，構成新穎的潤濕轉換效果。
[0020]3、本發(fā)明中激光從已有基板的背面一側入射，并非直接作用在粉末顆粒上，本質屬于熱傳導型焊接，無須控制氣氛，顆粒僅僅表面輕微熔化實現(xiàn)與基板的焊接，通過磁場控制磁性材料顆粒的有序排列，由于磁場的調控非接觸、十分靈活簡易，故圖形化微納結構的精細構造很精確可控，各種磁性材料顆粒的平行直線、曲線排布均可實現(xiàn)，另外激光束的掃描軌跡使得僅僅掃描軌跡