皮秒激光制备超疏水光伏玻璃表面形貌及其润湿性研究

发布时间：2020-05-17 16:35

【摘要】：玻璃是一种常用的材料,可以应用在汽车挡风,房屋建筑,太阳能电池外壳,电子显示屏等方面。超疏水玻璃表面除了具有防雾、抗腐蚀、抗结冰、防雪、拒水、自清洁性等特性,还具有灰尘不易附着和在阴雨天保持高透明度的优势。一般来说,制备超疏水表面有两个途径:(1)在低表面能的材料表面构建合适的微观结构;(2)降低具有微/纳米结构表面的自由能。在玻璃表面制备微纳米结构的传统方法有机械刻蚀、平板印刷术、涂层技术、等离子刻蚀等,然而这些方法由于制备工艺复杂、设备昂贵、需要真空环境等问题受到很多限制。相比之下,激光加工技术具有非接触、作用时间短和超高峰值功率的优点。本论文采用皮秒激光对光伏玻璃表面进行刻蚀实验,研究不同单脉冲能量和不同激光扫描间距对光伏玻璃表面微观形貌和疏水性的影响,并且对超疏水光伏玻璃在可见光范围内的透光率进行了测量分析。主要研究成果如下:(1)采用皮秒激光刻蚀与氟硅烷修饰相结合的方法在光伏玻璃表面成功制备出超疏水光伏玻璃表面。通过优化激光工艺参数,在激光脉冲能量为40μJ,频率为400 kHz,功率约为20 W,扫描次数为50,激光扫描间距为60μm的激光工艺参数下刻蚀光伏玻璃表面,在光伏玻璃表面制备出具有周期性的微沟槽阵列,在微沟槽的内壁和底部有许多纳米凸起。激光加工后的光伏玻璃表面用氟硅烷化学改性后,成功制备出接触角为169°±1°,滚动角小于2°的超疏水光伏玻璃表面。(2)通过调整皮秒激光的工艺参数,研究了不同激光工艺参数对光伏玻璃表面形貌和润湿性的影响。在激光扫描间距为60μm,频率为400 kHz,扫描次数为50时调整激光的脉冲能量,当能量由32μJ增加到42μJ时,表面微沟槽之间的间距约为60μm,沟槽的深宽比增大,氟硅烷修饰后的光伏玻璃表面的接触角由157°±2°增大到170°±1°,滚动角小于2°。在激光脉冲能量为35μJ,频率为400 kHz,扫描次数为50时调整激光的扫描间距,当激光的扫描间距由50μm增加到85μm时,表面微沟槽之间的间距增大,沟槽的深宽比不变,氟硅烷修饰后的光伏玻璃表面的接触角由172°±1°降低到145°±3°,并且当激光扫描间距增大到85μm时,滚动角有明显增大的现象。(3)通过建立疏水结构模型与计算,对光伏玻璃表面的疏水机理进行了分析。结果表明微沟槽内部的纳米凸起及表面的纳米孔洞结构有利于增加光伏玻璃表面的疏水性,并且能够限制水滴在光伏玻璃表面由Cassie状态过渡到Wenzel状态。这些纳米结构对超疏水玻璃表面的形成及表面具有很低的接触角滞后都起到了至关重要的作用。
【图文】：

芋头,槐叶萍,荷叶,表面结构

皮秒激光制备超疏水光伏玻璃表面形貌及其润湿性研究走表面的灰尘和污垢。荷叶具有自清洁的特性是因为荷叶表面具有微纳米结疏水蜡质层，如图 1.1(e-g)所示。其他一些植物叶子表现出与荷叶相同的性表面都有微纳米结构，，如水稻叶、甘蓝、芋头等[10-13]。如图 1.1(a)和(b)所示表面上均匀分布着微米椭圆形突起，此外从 SEM 照片可以看出有大量的纳状结构散布在整个表面。芋叶的表面具有超疏水性[14]，水滴在芋叶表面的接和滚动角分别为 159°和 3°。水滴从水稻叶表面滚落时的滚动角在 3°～12°范变化，这主要取决于滚动时的角度。这种行为可以用水稻叶表面的各向异性来解释，SEM 照片如图 1.1(c)和(d)所示。从图可以看出在水稻叶表面上微米

超疏水,水黾,蜘蛛,动物

江苏大学专业硕士学位论文，超疏水性和憎水性还可以使一些昆虫在水面上自由行走，如水黾[22]，可到这些昆虫和蜘蛛的角质层被蜡质层覆盖着。从形态学角度，角质层是由毛鳞片组成，这些区域可以改变水滴的接触角。特别是一些动物的腿上呈现度的微毛，这种微毛叫作长毛，表面被凹槽覆盖，这种结构可以使节肢动面上漂浮。Gao 等[22]测量出水黾腿部的接触角高达 167°。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ171.1;TN249

【参考文献】