【摘 要】
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聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethylmethacrylate,PMMA）被广泛应用于人们生产生活的各个领域,尤其在生物医学方面,如:人造骨骼、关节和人工晶状体等生物医用产品。但是PMMA表面疏水性差,在生物组织环境中会吸附蛋白质,易引发细菌感染和局部炎症等问题,限制了其在生物医学领域的应用,故提高PMMA表面的疏水性能具有重要意义。基于Wenzel模型和Cassie模型,通过在PMMA表面制备合
【基金项目】
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国家重点研发计划-增材制造与激光制造项目《面向 IC 的超快激光高精密切割技术与装备》（2018YFB1107700）；
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聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethylmethacrylate,PMMA）被广泛应用于人们生产生活的各个领域,尤其在生物医学方面,如:人造骨骼、关节和人工晶状体等生物医用产品。但是PMMA表面疏水性差,在生物组织环境中会吸附蛋白质,易引发细菌感染和局部炎症等问题,限制了其在生物医学领域的应用,故提高PMMA表面的疏水性能具有重要意义。基于Wenzel模型和Cassie模型,通过在PMMA表面制备合适的微结构来实现进一步提高其疏水性能的目标。由于飞秒激光直写技术具有高精度、低热效应的优点,使用飞秒激光在PMMA表面制备出所设计的微结构。综上所述,根据理论模型在PMMA表面设计微结构最优的尺寸和形状参数,然后采用飞秒激光直写技术制备出该微结构,以达到其表面良好的疏水性能,该研究具有重要的指导意义和非常高的应用价值。主要研究工作和成果如下:1、考虑PMMA的气化潜热及其热分解,采用有限元分析软件建立了激光直写PMMA温度场模型,分析了激光功率和扫描速度对PMMA试件表面温度场的影响规律;基于PMMA激光加热温度的分布规律,分析了激光直写加工PMMA过程中单沟槽的形成,并建立了激光功率、扫描速度与沟槽尺寸的映射关系模型,为激光直写加工PMMA单沟槽提供了工艺指导。2、自行设计并搭建了飞秒激光三维微加工系统,在有限元分析的基础上,结合飞秒激光直写PMMA单沟槽的实验研究结果,分析了飞秒激光功率、扫描速度、脉冲频率和扫描次数对沟槽尺寸及其表面形貌的影响规律;利用扫描电镜和能谱仪等测试设备分析了飞秒激光直写PMMA所产生的沟槽微观形貌。结果表明:激光功率和扫描速度对沟槽的宽度和深度影响很大,所建立的飞秒激光直写PMMA沟槽的宽度和深度模型与有限元分析结果基本符合。在飞秒激光功率为3 W、扫描速度为1.0 mm/s的条件下,飞秒激光直写PMMA后得到了宽度为100μm、深度为78μm的单道沟槽。通过飞秒激光直写加工技术,能够在PMMA表面制备沟槽微结构来实现其疏水性能。3、采用接触角测量仪实际测量了PMMA表面的本征接触角,结合Wenzel和Cassie润湿模型分析了微结构形状和尺寸参数与其疏水性能的关系模型,然后分别构建了PMMA表面一级微结构和二级微结构润湿模型,并分析了微结构形状和尺寸参数对其疏水性的影响规律。4、利用飞秒激光三维加工系统直写制备出了PMMA表面一级微结构和二级微结构实物,并对一级微结构和二级微结构进行表面形貌和接触角测试。实验结果表明:飞秒激光在PMMA表面制备微结构后,可以使PMMA表面由亲水状态转变为疏水状态;对不同微结构的形状参数也进行了研究,研究表明多级微结构相比于一级微结构更容易达到超疏水状态,其中二级微结构表面的接触角最大可达152°以上,达到超疏水状态;对多种微结构疏水性能的试验测试结果与润湿模型的理论分析结果基本符合,也说明理论模型的可靠性。
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