在金属闭合曲面上制备超疏水涂层的设备及方法
本发明涉及一种超疏水涂层的设备及方法，具体讲是一种在金属闭合曲面上制备超疏水涂层的设备及方法，属于光学制备。
背景技术：
1、在微小的金属闭合曲面上构造精细的微纳米结构是长期以来一直无法解决的技术难题。例如，血球仪吸样针通常被用作血球仪的取样工具，用于进行血细胞计数、血红蛋白测定、血小板计数等血液分析。在血液分析过程中，需要获取准确且代表性的血液样本。然而，常规的吸样针表面很容易附着血液，导致使用过程中需要频繁换并进行清洗，其步骤繁琐、严重影响检验或分析效率，并加大了分析检验人员的工作强度。由于超疏水涂层表面具有出色的自清洁性能，能够有效防止血液附着，因此成为目前相当有效的解决方案，超疏水涂层的加入可以大大减少吸样针的更换攻清洗频率。而微纳米级的粗糙结构和低表面能是超疏水涂层制备的关键因素。传统的制备方式中，通常采用激光标刻的方法在吸样针表面构建微纳米结构。由于吸样针截面为圆形，其表面闭合呈曲面状，无法进行在非旋转标刻(此处指吸样针)，而控制吸样针旋转并同时使用激光标刻存在诸多挑战，需要严格控制针的旋转中心轴与标刻方向的一致性，同时考虑到吸样针旋转与标刻速度的匹配一致性。因此，这种标刻方式可能会严重影响微纳米结构的精度，直接影响最终超疏水涂层的实际使用效果。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种在保证闭合曲面工件不旋转的情形下可以在其在闭合曲面上制备高精度的超疏水涂层的设备及方法。
2、为了解决上述技术问题，本发明提供的在金属闭合曲面上制备超疏水涂层的设备，包括激光装置、锥形凹面反射镜、夹具、位置调节平台和控制单元；
3、所述夹具固定在位置调节平台上，所述激光装置设置于调节平台的上方，所述激光装置和位置调节平台均电连接并受控于控制单元；
4、所述锥形凹面反射镜设置于夹具与激光装置之间；所述锥形凹面反射镜下底为封口状，下底正中部设有通孔；
5、所述激光装置用于向锥形凹面反射镜上发射激光，所述锥形凹面反射镜用于反射并聚集激光；
6、所述锥形凹面反射镜的横截面为圆形或椭圆形。
7、上述在金属闭合曲面上制备超疏水涂层的设备还包括保护气体供应机构，用于向锥形凹面反射镜内供应保护气体。
8、本发明中，所述锥形凹面反射镜内侧采用高品质熔融石英作为基底，表面镀上全介质高反膜。
9、本发明还提供了一种在金属闭合曲面上制备超疏水涂层的方法，采用上述的设备，具体包括以下步骤：
10、s1：将待处理的闭合曲面工件固定在夹具上，并穿过锥形凹面反射镜；
11、s2：将待处理的闭合曲面工件的中心轴与锥形凹面反射镜的中心轴保持重合；
12、s3：规划激光扫描路径；
13、s4：按s3确定的扫描路径对待处理的闭合曲面工件外部进行激光扫描；
14、s5：对经过s4处理后的闭合曲面工件进行疏水化处理。
15、本发明中，当待处理的闭合曲面工件的横截面为圆形时所述s3的具体过程中为：
16、s31：以横截面为圆形的锥形凹面反射镜中心轴作为圆心，绘制半径为r的圆,确定扫描线间距d；
17、s32：根据s31中圆的半径和激光装置的扫描速度确定位置调节平台的下降速度vs和扫描结束时间t。
18、本发明中，所述s32中激光扫描一圈时间为：
19、
20、式中，r为圆形半径,r为待处理的闭合曲面工件的截面半径，v1为激光扫描速度，v2为激光相对于待处理的闭合曲面工件的扫描速度。
21、本发明中，所述s32中位置调节平台的下降速度公式为：
22、
23、式中，δs为扫描线间距。
24、本发明中，当待处理的闭合曲面工件的横截面为椭圆形时所述s3的具体过程中为：
25、s31：获得激光聚焦工件位置l3与轨迹圆半径之间的关系：
26、
27、式中，l为焦距，q为绘制椭圆任意一点到工件距离，θ’为圆台锥度角，θ1-4为光路辅助角，l1为光源到镜面的距离，l2为光源从反射镜反射到工件表面的距离，r为待处理的闭合曲面工件的截面半径；
28、测量出待处理的闭合曲面工件椭圆的长半轴长a与短半轴长b，绘制出短半轴长为长半轴长为的椭圆，以横截面为椭圆形的锥形凹面反射镜中心轴作为圆心，绘制半径为r的圆,确定扫描线间距d；a为软件绘制椭圆的短半轴长，b为软件绘制椭圆的长半轴长；
29、s32：根据s31中圆的半径和激光装置的扫描速度确定位置调节平台的下降速度vs和扫描结束时间t。
30、本发明中，前述s32中激光扫描一圈时间为：
31、
32、式中，a为软件绘制椭圆的短半轴长，b为软件绘制椭圆的长半轴长，v1为激光扫描速度，v2为激光相对于待处理的闭合曲面工件的扫描速度，a为待处理的闭合曲面工件长半轴长，b为待处理的闭合曲面工件短半轴长。
33、本发明中，前述s32中位置调节平台的下降速度公式为：
34、
35、式中，δs为扫描线间距。
36、本发明的有益效果在于：(1)通过锥形凹面反射镜与激光装置的配合，激光绕闭合曲面工件的表面进行旋转扫描，实现快速标刻，并通过动态调控激光扫描路径，实现高精度、低成本、简便操作的超疏水涂层的制备；(2)与传统的闭合曲面制备超疏水涂层多采用电化学(即置于电解质中腐蚀出粗糙结构表面)的方式相比，本发明采用激光旋转扫描制备超疏水吸样针可以明显节省时间，提高制备效率；(3)根据v1与v2的换算比可以得出，本发明采用激光旋转扫描制备超疏水吸样针的方法可以实现更快的激光扫描速度标刻；(3)避免了横向放置和旋转闭合曲面工件，对闭合曲面工件三维建模标刻，简化扫描方式，增加了标刻的精度；(4)标刻时向锥形凹面反射镜内提供保护气体，可以一定程度上避免标刻过程的氧化反应。
技术特征：
1.一种在金属闭合曲面上制备超疏水涂层的设备，其特征在于：包括激光装置、凹面反射镜、夹具、位置调节平台和控制单元；
2.根据权利要求1所述的在金属闭合曲面上制备超疏水涂层的设备，其特征在于：还包括保护气体供应机构，用于向锥形凹面反射镜内供应保护气体。
3.根据权利要求1或2所述的在金属闭合曲面上制备超疏水涂层的设备，其特征在于：所述锥形凹面反射镜内侧采用高品质熔融石英作为基底，表面镀上全介质高反膜。
4.一种在金属闭合曲面上制备超疏水涂层的方法，其特征在于：采用权利要求1所述的设备，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的在金属闭合曲面上制备超疏水涂层的方法，其特征在于，当待处理的闭合曲面工件的横截面为圆形时所述s3的具体过程中为：
6.根据权利要求5所述的在金属闭合曲面上制备超疏水涂层的方法，其特征在于，所述s32中激光扫描一圈时间为：
7.根据权利要求5所述的在金属闭合曲面上制备超疏水涂层的方法，其特征在于，所述s32中位置调节平台的下降速度公式为：
8.根据权利要求4所述的在金属闭合曲面上制备超疏水涂层的方法，其特征在于，当待处理的闭合曲面工件的横截面为椭圆形时所述s3的具体过程中为：
9.根据权利要求8所述的在金属闭合曲面上制备超疏水涂层的方法，其特征在于，所述s32中激光扫描一圈时间为：
10.根据权利要求8所述的在金属闭合曲面上制备超疏水涂层的方法，其特征在于，所述s32中位置调节平台的下降速度公式为：
技术总结
本发明公开了一种在金属闭合曲面上制备超疏水涂层的设备及方法，属于光学制备技术领域。包括激光装置、锥形凹面反射镜、夹具、位置调节平台和控制单元；夹具固定在位置调节平台上，激光装置设置于调节平台的上方，激光装置和位置调节平台均电连接并受控于控制单元；锥形凹面反射镜设置于夹具与激光装置之间；锥形凹面反射镜下底为封口状，下底正中部设有通孔；激光装置用于向锥形凹面反射镜上发射激光，锥形凹面反射镜用于反射并聚集激光。通过锥形凹面反射镜与激光装置的配合，激光绕闭合曲面工件的表面进行旋转扫描，实现快速标刻，并通过动态调控激光扫描路径，实现高精度、低成本、简便操作的超疏水涂层的制备。
技术研发人员：樊宇,常克明,胡珊,刘洪涛,陈正,姚瑞东,乔海林,徐杰,张威龙,贾毅哲,陈宇,韩佶杉,樊荣馨,西绕卓玛,宋占鑫,闫洪振
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23