英諾激光：皮秒激光制備鎂合金超疏水表面的工藝及機理研究

引言

鎂合金以比強度高、比剛度好，輕量性和鑄造性好等一系列優點，在交通運輸、航空航天、電子產品和醫療器械等領域得到廣泛應用[1]，被認為是21世紀最具發展潛力的綠色工程材料。然而鎂合金的電極電位極低，在潮濕環境下極易腐蝕，限制了其工業發展，因此提高鎂合金耐蝕性具有重要的現實意義。

改善金屬材料耐蝕性主要從合金成分、快速凝固工藝以及表面處理三方面入手。改變成分旨在鎂合金中加入少量稀土元素而提高其本身耐蝕性，但稀土元素高額的成本并不適用于工業應用；快速凝固技術具有復雜繁瑣的步驟，在快節奏工業生產中沒有優勢；表面處理憑借其較高的性價比在防腐領域應用甚廣，而對鎂合金基體改性形成超疏水表面也是近年來使用到的一種簡單且高效的方法[2]。超疏水鎂合金具有很好的超疏水性能，在衛星天線、雷達的保潔表面，以及航空材料、汽車殼體表面等都具有非常高的應用價值。

1.1

超疏水狀態

超疏水是一種特殊的潤濕性狀態[3]，潤濕是指當液體與固體表面接觸時，液體取代原氣-固接觸面，而形成新的固-液界面。固體表面的潤濕性由靜態接觸角的大小來表征，如圖1.1所示，當液滴穩定地停留在固體表面時，在液滴邊緣的切線處與固體表面所形成的夾角被稱為接觸角。

圖1.1 接觸角理論模型

由楊氏方程可知，靜態接觸角的大小與固體表面化學自由能有關，可以通過降低表面化學自由能來提高靜態接觸角。潤濕性狀態也是由靜態接觸角的大小來定義。通常情況下，當接觸角在0°＜θ＜10°時，水滴基本平鋪在固體表面，稱為超親水狀態；接觸角在10°＜θ＜90°時，稱為親水狀態；接觸角在90°＜θ＜150°時，水滴在表面呈現半球形狀，此時稱為疏水狀態；而當接觸角在150°＜θ＜180°，滾動角＜10°時，水滴滴落在表面呈現近球形狀，此時稱為超疏水狀態。

圖1.2 不同濕性狀態的接觸角

1.2

皮秒激光器的加工技術

針對鎂合金耐蝕性差的問題，我們采用自主研發的皮秒激光器對鎂合金進行加工，對表面處理實施性價比更高的激光加工方案以適用于工業化生產應用。激光加工技術具有可便利地加工出表面微織構、可調控表面潤濕性和對環境要求低等優勢，而超短脈沖激光在加工過程中更是具有較小的熱影響，如圖1.3所示,對表面形貌的構建有更好的展現性。該項目采用的方法相較于其他表面處理提高耐蝕性，具有高精度、高效率、低成本的優勢，以致力于激光在行業中的應用。

圖1.3 激光加工原理

02

固體表面潤濕性的基本原理

固體材料的潤濕性是由表面自由能和粗糙度所決定的[4,5]，因此，采用激光技術構建呈周期性排列的凹坑和柱狀凸起的微織構，伴隨微織構周圍由激光加工過程中產生的微納米顆粒，提高表面粗糙度，當液滴滴落在固體表面時，微納米顆粒將“托”著水滴在液體與固體之間形成一層“空氣膜”，使水滴無法完全潤濕表面，更有利于超疏水Cassie狀態的形成。

圖1.4 Cassie-Baxter理論模型

由Wenzel理論可知，親水材料表面在增加粗糙度后會變的更加親水。通常，金屬材料的表面自由能較大，而呈現出親水性[6-8]。因此除了粗糙度，表面自由能對潤濕性也有著不可忽略的影響，相關研究表明，C元素含量對材料表面潤濕性存在極大影響[9,10]，較多的含C有機物會降低表面自由能而呈現出超疏水性，為了提高表面有機C分子，經常采取有機物的涂覆或低溫熱處理的措施。

03

皮秒激光對鎂合金的刻蝕實驗

3.1

實驗材料和裝置

本實驗所用的材料為AZ91D鎂合金，試樣尺寸為30mm×30mm×6mm，分別采用240目、500目、800目、1200目、1500目砂紙對鎂合金表面進行打磨，而后用乙醇溶液進行超聲波清洗20min，烘干備用。

實驗所采用的設備為自研微加工平臺，AMT系列工業級皮秒激光器和奧林巴斯BX51光學顯微鏡。

圖1.5 英諾激光AMT皮秒激光器及皮秒微加工平臺

圖1.6 皮秒加光加工系統

3.2

實驗結果

單X軸或單Y軸的掃描路線可以形成周期性的凹槽，但相關研究表明在同等參數加工下，單軸加工后的表面接觸角小于雙軸加工，因此采用交叉型掃描路線，如圖1.7所示，先進行X軸加工，再進行Y軸加工，掃描間距為d。

圖1.7 AZ91D鎂合金激光掃描路徑

研究了激光能量密度對表面形貌的影響規律，優化了激光平均功率對微織構排列的工藝參數。圖1.8為不同能量密度對鎂合金表面形貌的影響，從三維形貌圖中可以觀察到，當能量密度為0.956J/cm2和1.611J/cm2時，激光已開始對鎂合金基體產生刻蝕效果，其中微織構并沒有形成很深的凹槽，這是由于激光能量密度過小，無法在鎂合金表面形成一定深度；當能量密度提升到2.433J/cm2和3.389J/cm2時，表面形成高度不一的微織構呈一定周期性排列，且局部受熱影響產生堆積現象，在激光加工過程中金屬液滴的飛濺有利于微納米顆粒物的產生；當能量密度達到4.445J/cm2和5.58J/cm2時，表面受到了較為嚴重的熱影響，幾乎全表面發生重熔現象，加工的微織構呈不規則狀排列。由此可知，當能量密度在2.433~3.389J/cm2時，最適合周期性微織構的構建。

圖1.8 不同能量密度對表面形貌的影響。從左至右

(a) 0.956J/cm2 (b) 1.611J/cm2 (c) 2.433J/cm2

(d) 3.389 J/cm2 (e) 4.445J/cm2 (f) 5.58J/cm2

上述實驗內容通過控制變量法確定了激光能量密度的選用范圍，而影響表面潤濕性的工藝參數還包括激光掃描速度、掃描間距和重復次數，采用相同方法依次縮小最優工藝參數的選擇范圍。

經過不斷的參數優化，當能量密度為3.389J/cm2，速度為800mm/s，掃描間距為30μm，重復次數為6次和能量密度為4.44J/cm2，速度為1000mm/s，掃描間距為30μm，重復次數為7次時，在低溫熱處理后表面達到了超疏水的效果，其三維形貌如圖1.9所示，可以觀察到微織構呈周期性排列且凹坑存在一定深度，對其潤濕性進行測量，靜態接觸角分別達到了150.67°和151.19°；采用高速攝像頭對其滾動角拍攝，如圖1.10所示，測量滾動角為3.5°，完全符合超疏水表面的要求。

圖1.9 超疏水表面三維形貌圖及接觸角測量

上述結果顯示，使用自研的紅外皮秒激光器進行金屬材料表面微織構的加工時，通過工藝參數不斷優化，可以得到呈周期性整齊排列的微織構，為超疏水表面的構建做好鋪墊，也為激光微織構提高金屬材料性能大規模的工程應用做好基礎。

圖1.10 滾動角測量

3.3

總結

本文介紹了鎂合金廣闊的發展前景以及超疏水表面的基本原理和優勢，從微織構的構建入手，采用自主研發的高性能紅外皮秒激光器在鎂合金表面進行加工，結合低溫熱處理，實現了鎂合金表面潤濕性的調控，研究了不同激光工藝參數對表面形貌的影響規律，并揭示了相關機理，結果表明：激光能量密度、掃描速度、掃描間距以及重復次數對鎂合金表面形貌及潤濕性有著重要影響。周期性織構表面疏水性優于隨機織構表面；微織構周圍附著激光加工時產生的微納米顆粒，形成多級結構，有利于超疏水表面的構建。

04

英諾激光皮秒激光器

AMT

系列

AMT-1064系列紅外皮秒激光器，擁有領先的自動換點技術和光斑補償技術，先進的技術保證了優質的光束質量、光斑大小、延長晶體使用壽命及提高了激光器的穩定性同時采用緊湊型的一體化設計，能有效簡化客戶的整機設計，為集成商降低集成成本與難度，提高生產效率。

激光器可通過外部觸發信號控制，支持多種觸發模式可選，客戶可按需選擇高/低電平觸發，上升沿/下降沿觸發模式；其中上升/下降沿觸發模式可實現按需脈沖觸發（POD）功能。

AMT

1064

AMT-1064紅外皮秒激光器擁有優質的光學質量，光斑質量(M2＜1.2)，圓度可達90%以上，可靠的脈沖穩定<2%、功率穩定性<3%。激光器功率涵蓋15-75W，可定制90W，工作頻率范圍涵蓋10-1000kHz，最高可定制達10M。脈沖能量最高可達2mJ，12ps的超窄脈沖寬度。在100K時，可提供＞30W的輸出功率，單脈沖能量可達300μJ以上，且脈沖串模式下最多可提供1-10個脈沖選擇，并且可以按需對單個脈沖的能量進行調節。

應用領域

憑借以上的優勢，AMT-1064紅外皮秒激光器不僅在鎂合金表面進行激光加工具有優勢，同時更可以廣泛應用于各種透明脆性材料如玻璃、藍寶石、全面屏等切割；切割厚度范圍廣，切割質量好（幾乎無粉塵、無崩邊、碎屑、微裂紋），而且可實現幾乎無錐度任意形狀切割（直線、曲線、圓孔等）。