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(yōu)點，在交通運輸、航空航天、電子產(chǎn)品和醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ木G色工程材料。然而鎂合金的電極電位極低，在潮濕環(huán)境下極易腐蝕，限制了其工業(yè)發(fā)展，因此提高鎂合金耐蝕性具有重要的現(xiàn)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(yè)應(yīng)用；快速凝固技術(shù)具有復(fù)雜繁瑣的步驟，在快節(jié)奏工業(yè)生產(chǎn)中沒有優(yōu)勢；表面處理憑借其較高的性價比在防腐領(lǐng)域應(yīng)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(wèi)星天線、雷達(dá)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(yīng)用價值。

1.1

超疏水狀態(tài)

超疏水是一種特殊的潤濕性狀態(tài)[3]，潤濕是指當(dāng)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(tài)接觸角的大小來表征，如圖1.1所示，當(dāng)液滴穩(wěn)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(tài)接觸角的大小與固體表面化學(xué)自由能有關(guān)，可以通過降低表面化學(xué)自由能來提高靜態(tài)接觸角。潤濕性狀態(tài)也是由靜態(tài)接觸角的大小來定義。通常情況下，當(dāng)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(tài)；接觸角在10°＜θ＜90°時，稱為親水狀態(tài)；接觸角在90°＜θ＜150°時，水滴在表面呈現(xiàn)半球形狀，此時稱為疏水狀態(tài)；而當(dāng)接觸角在150°＜θ＜180°，滾動角＜10°時，水滴滴落在表面呈現(xiàn)近球形狀，此時稱為超疏水狀態(tài)。

圖1.2 不同濕性狀態(tài)的接觸角

1.2

皮秒激光器的加工技術(shù)

針對鎂合金耐蝕性差的問題，我們采用自主研發(fā)的皮秒激光器對鎂合金進(jìn)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(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。激光加工技術(shù)具有可便利地加工出表面微織構(gòu)、可調(diào)控表面潤濕性和對環(huán)境要求低等優(yōu)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(gòu)建有更好的展現(xiàn)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(yōu)勢，以致力于激光在行業(yè)中的應(yīng)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(shù)構(gòu)建呈周期性排列的凹坑和柱狀凸起的微織構(gòu)，伴隨微織構(gòu)周圍由激光加工過程中產(chǎn)生的微納米顆粒，提高表面粗糙度，當(dāng)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(tài)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(xiàn)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(guān)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(xiàn)出超疏水性，為了提高表面有機C分子，經(jīng)常采取有機物的涂覆或低溫?zé)崽幚淼拇胧?/p>

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(jìn)行打磨，而后用乙醇溶液進(jìn)行超聲波清洗20min，烘干備用。

實驗所采用的設(shè)備為自研微加工平臺，AMT系列工業(yè)級皮秒激光器和奧林巴斯BX51光學(xué)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(tǒng)

3.2

實驗結(jié)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(guān)研究表明在同等參數(shù)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(jìn)行X軸加工，再進(jìn)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(guī)律，優(yōu)化了激光平均功率對微織構(gòu)排列的工藝參數(shù)。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(dāng)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(chǎn)生刻蝕效果，其中微織構(gòu)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(dāng)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(gòu)呈一定周期性排列，且局部受熱影響產(chǎn)生堆積現(xiàn)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(chǎn)生；當(dāng)能量密度達(dá)到4.445J/cm2和5.58J/cm2時，表面受到了較為嚴(yán)重的熱影響，幾乎全表面發(fā)生重熔現(xiàn)象，加工的微織構(gòu)呈不規(guī)則狀排列。由此可知，當(dāng)能量密度在2.433~3.389J/cm2時，最適合周期性微織構(gòu)的構(gòu)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(nèi)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(shù)還包括激光掃描速度、掃描間距和重復(fù)次數(shù)，采用相同方法依次縮小最優(yōu)工藝參數(shù)的選擇范圍。

經(jīng)過不斷的參數(shù)優(yōu)化，當(dāng)能量密度為3.389J/cm2，速度為800mm/s，掃描間距為30μm，重復(fù)次數(shù)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(fù)次數(shù)為7次時，在低溫?zé)崽幚砗蟊砻孢_(dá)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(gòu)呈周期性排列且凹坑存在一定深度，對其潤濕性進(jìn)行測量，靜態(tài)接觸角分別達(dá)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(jié)果顯示，使用自研的紅外皮秒激光器進(jìn)行金屬材料表面微織構(gòu)的加工時，通過工藝參數(shù)不斷優(yōu)化，可以得到呈周期性整齊排列的微織構(gòu)，為超疏水表面的構(gòu)建做好鋪墊，也為激光微織構(gòu)提高金屬材料性能大規(guī)模的工程應(yīng)用做好基礎(chǔ)。

圖1.10 滾動角測量

3.3

總結(jié)

本文介紹了鎂合金廣闊的發(fā)展前景以及超疏水表面的基本原理和優(yōu)勢，從微織構(gòu)的構(gòu)建入手，采用自主研發(fā)的高性能紅外皮秒激光器在鎂合金表面進(jìn)行加工，結(jié)合低溫?zé)崽幚?，實現(xiàn)了鎂合金表面潤濕性的調(diào)控，研究了不同激光工藝參數(shù)對表面形貌的影響規(guī)律，并揭示了相關(guān)機理，結(jié)果表明：激光能量密度、掃描速度、掃描間距以及重復(fù)次數(shù)對鎂合金表面形貌及潤濕性有著重要影響。周期性織構(gòu)表面疏水性優(yōu)于隨機織構(gòu)表面；微織構(gòu)周圍附著激光加工時產(chǎn)生的微納米顆粒，形成多級結(jié)構(gòu)，有利于超疏水表面的構(gòu)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(lǐng)先的自動換點技術(shù)和光斑補償技術(shù)，先進(jìn)的技術(shù)保證了優(yōu)質(zhì)的光束質(zhì)量、光斑大小、延長晶體使用壽命及提高了激光器的穩(wěn)定性同時采用緊湊型的一體化設(shè)計，能有效簡化客戶的整機設(shè)計，為集成商降低集成成本與難度，提高生產(chǎn)效率。

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

AMT

1064

AMT-1064紅外皮秒激光器擁有優(yōu)質(zhì)的光學(xué)質(zhì)量，光斑質(zhì)量(M2＜1.2)，圓度可達(dá)90%以上，可靠的脈沖穩(wěn)定<2%、功率穩(wěn)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(dá)10M。脈沖能量最高可達(dá)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(dá)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(jìn)行調(diào)節(jié)。

應(yīng)用領(lǐng)域

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