杏彩体育:超快激光微加工功能化金属表面的简要综述（2）

　　据悉，本文简要概述了超快激光微机械加工功能化金属表面的进展，给出了超快激光与金属材料相互作用的原理。本文为第二部分。

　　当激光能量突破材料的烧蚀阈值时，表面上的材料被移除。当激光的扫描路径沿水平方向时，生成一维槽结构。当沿垂直方向扫描时，形成立方体或网格结构。加工后留下的部分称为立方体，而移除的部分称为网格。换句话说，立方体是在三维尺度上描述的，网格是指二维平面上的形态。事实上，两者描述的结构相同。

　　Jiang姜等比较研究了微立方体和其他微织构对提高钨/铜接头力学性能的影响。据报道，W工件通过波长为1030 nm、脉冲持续时间为800 fs、重复频率为200 kHz的激光系统照射在上下端面，该系统与电流计扫描仪集成，以将激光束聚焦到直径约40µm并引导其扫描路径。通过改变扫描路径和fs激光烧蚀参数，包括平均功率（P）、扫描速度（V）、每个光斑的激光脉冲数（N）和激光烧蚀重复次数（R），在W表面上制备了四种表面结构，即原始结构、纳米波纹、微立方体和微坑（图12）。然后在1000°C和80 MPa下通过热压连接将加工后的工件引入钨/铜连接界面。微立方体有助于显著提高钨铜接头的拉伸强度和剪切强度，与原始结构的钨铜接头相比，分别提高了50%和200%。

　　图12 （a）原始结构、（b）纳米波纹、（c）微立方体和（d）W表面上的微坑的激光扫描路径（上图）和表面形貌（下图）。

　　水射流引导激光加工由Richerzhagen于1994年首次引入，其想法是使用高速水射流作为多模波导，以利用传统的水射流和激光技术。水射流引导激光加工利用了水射流的连续区域，这对于完美利用射流的全内反射至关重要。Shi等人证明了一种经济高效的方法，通过新型水射流引导激光工艺进行微纹理处理，在金属表面实现超疏水性。图13显示了水射流引导激光纹理处理后的SEM和3D表面形貌。探讨了在环境条件下，由于表面化学变化，表面润湿性随时间的变化，从亲水性到超疏水性。结果表明，当暴露在空气中时，表面接触角在变形后的前几天内显著增加。大约20天后，在纹理304不锈钢（网格间距为50μm）、钛（网格间距为50μm）和6061铝（网格间距为25μm）表面上，接触角分别稳定在150°、130°和129°。

　　根据烧蚀阈值理论，当激光的能量密度达到材料的烧蚀阈值，并且激光在材料表面停留的单点时间足够时，就会形成微坑结构。本节描述了与凹坑类似的结构，例如凹坑、球形凹坑、浅盲孔，甚至多孔结构。

　　为了在高速钢和模具钢上制备表面微纳结构，Lin等人使用ps脉冲激光烧蚀方法（图14）。通过研究激光脉冲能量密度和输入脉冲数对烧蚀的影响，成功制备了莲花状微纳复合结构。这种微纳米结构的H13表面被用作微纳米压印母料，用于在165℃、6MPa的环境空气中复制超疏水硅橡胶表面。在硅橡胶的印刷表面上形成了由类似于荷叶的纳米亚结构装饰的微突起，使橡胶表面变得超疏水，接触角为153.3°，接触角滞后为3.2°。ps激光制作的微纳模板能够重复压印，具有良好的耐久性。

　　Fan等人介绍了高功率（平均功率高达100 W）ps激光与铜的相互作用，以构建独特的表面微纳结构，实现宽带光吸收。产生了由纳米级聚集体和波纹覆盖的多孔珊瑚状微结构（图15）。研究表明，在可见光谱区域的吸收率超过97%，在紫外线、可见光和近红外区域的平均吸收率超过90%（即250 ~ 2500 nm）是通过这种多孔珊瑚状表面结构实现的。这些值与之前对纳秒激光发黑铜以及其他被fs激光发黑的高反射金属的结果相匹配。与Lin等人不同的是，除了制备微坑结构外，Fan等人还使用超快激光制备了其他微纳米纹理，并通过不断优化超细激光参数研究了微纳米纹理在材料表面的抗反射性能。

　　图15 表面结构的SEM图像。样品（a）、（b）和（c）的扫描间隔分别为5μm、30μm和50μm。

　　上文简要介绍了微米级金属表面结构。微米级结构可以通过激光直接照射或模板转移获得。这些微结构通常具有纳米特征，例如纳米波纹和纳米颗粒。

　　金属表面的纳米织构与微观织构有很大的不同，特别是其形成机制，下面将详细介绍。飞秒激光烧蚀的机理取决于材料特性、激光特性和加工环境。表面的最终修改取决于烧蚀机制和实验参数。纳米结构要么作为激光诱导的周期性表面结构单独出现，要么作为随机纳米结构伴随微结构出现。当激光能量密度略高于或接近烧蚀阈值时，表面上的材料不能直接去除。通过多个激光脉冲的重复作用，超快激光和表面等离子体波的干扰在金属表面上引起周期性空间调制能量沉积，可以诱导纳米空腔、纳米突起、纳米薄膜和纳米波纹结构。

　　LIPSS也称为涟漪或纳米涟漪，由Birnbaum于1965年首次观察到。LIPSS是一种由波峰和波谷交替组成的周期性纳米结构。考虑到周期性，将fs-LIPSS（FLIPSS）分为两种不同类型：低空间频率LIPSS（LSFL）和高空间频率LIPSS（HSFL）。LSFL具有接近激光波长的周期性。图16显示了Ti上的两种类型的FLIPSS。据广泛报道，LIPSS波纹的形成敏感地取决于局部区域的激光注量。在具有线极化辐射的超快激光烧蚀中，已知会出现波纹状纳米结构图案。Lazzini等人的研究报告了在激光烧蚀具有圆极化的不锈钢过程中产生的凹槽底部的类似特征。

　　图16 （a）用790 nm fs激光辐照的Ti上的低空间频率LIPSS（LSFL）和（b）高空间频率LIPSS（HSFL）的SEM图像。双面箭头表示激光束的偏振。

　　Zhang等人利用圆柱形透镜线 kHz) fs激光器实现了纳米尺度表面结构的高效制备。通过优化离焦距离和扫描速度，可以得到周期性波纹和随机的纳米颗粒覆盖表面结构(图17)。在激光图案化Cu和Ni表面都发现了较强的水接触角随时间的变化。随机覆盖的纳米颗粒表面经激光处理后立即超亲水(1º左右)，暴露在空气中第一天亲水程度增加到~ 25°。周期性波纹表面的CA表现出更明显的时间依赖性，其中CA显著增加(Cu增加50°，Ni增加100°)。表面化学分析表明，疏水官能团的吸附使表面由Wenzel态润湿转变为Cassie态润湿，这是亲水性向疏水性转变的原因。Bizi-bandoki等人和Kietzig等人报道了LIPSS润湿性的时间依赖性。

　　Li将激光诱导的亚波长周期性条纹结构视为一种光栅结构，系统地研究了纳米结构与镍表面结构颜色之间的关系。他们在金属表面诱导形成具有不同周期的条纹结构，并研究结构特征对结构颜色形成的影响。在液体加工环境中，镍表面产生三维多孔凸结构和杂波。这种交错条纹结构呈现出对视角不敏感的均匀颜色。

　　研究人员利用超快激光烧蚀不锈钢表面，并成功制备了周期性表面微纹理，包括微槽、微坑和微纳米波纹（图18）。接触角为10.8 ± 0.7°, 16.6 ± 0.5°, 19.9 ± 0.9°和8.7 ± 对于原始表面、微槽表面、微凹坑表面和微纳米波纹表面，分别为0.5°。结果表明，微纳织构可以改善表面润湿性，有利于异种材料的焊接和扩散。

　　图18不锈钢基材上（a）原始表面、（b）微槽、（c）微坑和（d）微纳米波纹的表面形貌OM图像（顶行）、UTM图像（中行）和SEM图像（底行）。

　　使用线偏振fs脉冲激光扫描钛表面，并与Pan等人对低表面能材料进行的处理相结合，以获得具有LIPSS形貌的疏水和超疏水钛表面（图19）。实验结果表明，fs脉冲激光在钛表面诱导的微纳结构对超声作用下粘附在钛表面的低表面能物质有较强的吸附作用，从而形成稳定分布的超疏水钛表面。激光能量流密度对制备表面的润湿性有重要影响，即增加能量流密度可以改善表面的疏水性，最终实现钛的超疏水表面。

　　除了上述LIPSS之外，还有许多其他种类的纳米结构，例如纳米线、纳米球、纳米多孔结构和一些不规则的纳米结构，下面将对其进行描述。

　　纳米多孔金属是一种具有特殊结构的纳米金属材料。纳米多孔金属结构由纳米尺度的金属骨架和孔隙组成，具有金属材料的基本金属性质。虽然纳米多孔金属材料是纳米结构大块金属材料的类型，但纳米级孔壁和孔使其具有相同的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效。