本文作者：英諾激光 | 嵇煜、胡琛
1、引言
鎂合金以比強度高、比剛度好，輕量性和鑄造性好等一係列優(you) 點，在交通運輸、航空航天、電子產(chan) 品和醫療器械等領域得到廣泛應用[1]，被認為(wei) 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，限製了其工業(ye) 發展，因此提高鎂合金耐蝕性具有重要的現實意義(yi) 。
改善金屬材料耐蝕性主要從(cong) 合金成分、快速凝固工藝以及表麵處理三方麵入手。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並不適用於(yu) 工業(ye) 應用；快速凝固技術具有複雜繁瑣的步驟，在快節奏工業(ye) 生產(chan) 中沒有優(you) 勢；表麵處理憑借其較高的性價(jia) 比在防腐領域應用甚廣，而對鎂合金基體(ti) 改性形成超疏水表麵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、雷達的保潔表麵，以及航空材料、汽車殼體(ti) 表麵等都具有非常高的應用價(jia) 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(ti) 與(yu) 固體(ti) 表麵接觸時，液體(ti) 取代原氣-固接觸麵，而形成新的固-液界麵。固體(ti) 表麵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(ti) 表麵時，在液滴邊緣的切線處與(yu) 固體(ti) 表麵所形成的夾角被稱為(wei) 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(yu) 固體(ti) 表麵化學自由能有關(guan) ，可以通過降低表麵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(yi) 。通常情況下，當接觸角在0°＜θ＜10°時，水滴基本平鋪在固體(ti) 表麵，稱為(wei) 超親(qin) 水狀態；接觸角在10°＜θ＜90°時，稱為(wei) 親(qin) 水狀態；接觸角在90°＜θ＜150°時，水滴在表麵呈現半球形狀，此時稱為(wei) 疏水狀態；而當接觸角在150°＜θ＜180°，滾動角＜10°時，水滴滴落在表麵呈現近球形狀，此時稱為(wei) 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(men) 采用自主研發的皮秒激光器對鎂合金進行加工，對表麵處理實施性價(jia) 比更高的激光加工方案以適用於(yu) 工業(ye) 化生產(chan) 應用。激光加工技術具有可便利地加工出表麵微織構、可調控表麵潤濕性和對環境要求低等優(you) 勢，而超短脈衝(chong) 激光在加工過程中更是具有較小的熱影響，如圖1.3所示,對表麵形貌的構建有更好的展現性。該項目采用的方法相較於(yu) 其他表麵處理提高耐蝕性，具有高精度、高效率、低成本的優(you) 勢，以致力於(yu) 激光在行業(ye) 中的應用。 圖1.3 激光加工原理
02、固體(ti) 表麵潤濕性的基本原理 固體(ti) 材料的潤濕性是由表麵自由能和粗糙度所決(jue) 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(chan) 生的微納米顆粒，提高表麵粗糙度，當液滴滴落在固體(ti) 表麵時，微納米顆粒將“托”著水滴在液體(ti) 與(yu) 固體(ti) 之間形成一層“空氣膜”，使水滴無法完全潤濕表麵，更有利於(yu) 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(qin) 水材料表麵在增加粗糙度後會(hui) 變的更加親(qin) 水。通常，金屬材料的表麵自由能較大，而呈現出親(qin) 水性[6-8]。因此除了粗糙度，表麵自由能對潤濕性也有著不可忽略的影響，相關(guan) 研究表明，C元素含量對材料表麵潤濕性存在極大影響[9,10]，較多的含C有機物會(hui) 降低表麵自由能而呈現出超疏水性，為(wei) 了提高表麵有機C分子，經常采取有機物的塗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(wei) AZ91D鎂合金，試樣尺寸為(wei) 30mm×30mm×6mm，分別采用240目、500目、800目、1200目、1500目砂紙對鎂合金表麵進行打磨，而後用乙醇溶液進行超聲波清洗20min，烘幹備用。 實驗所采用的設備為(wei) 自研微加工平台，AMT係列工業(ye) 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台
圖1.6 皮秒加光加工係統
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(guan) 研究表明在同等參數加工下，單軸加工後的表麵接觸角小於(yu) 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(wei) 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麵形貌的影響規律，優(you) 化了激光平均功率對微織構排列的工藝參數。圖1.8為(wei) 不同能量密度對鎂合金表麵形貌的影響，從(cong) 三維形貌圖中可以觀察到，當能量密度為(wei) 0.956J/cm²和1.611J/cm²時，激光已開始對鎂合金基體(ti) 產(chan) 生刻蝕效果，其中微織構並沒有形成很深的凹槽，這是由於(yu) 激光能量密度過小，無法在鎂合金表麵形成一定深度；當能量密度提升到2.433J/cm²和3.389J/cm²時，表麵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(chan) 生堆積現象，在激光加工過程中金屬液滴的飛濺有利於(yu) 微納米顆粒物的產(chan) 生；當能量密度達到4.445J/cm²和5.58J/cm²時，表麵受到了較為(wei) 嚴(yan) 重的熱影響，幾乎全表麵發生重熔現象，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 不同能量密度對表麵形貌的影響。從(cong) 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(nei) 容通過控製變量法確定了激光能量密度的選用範圍，而影響表麵潤濕性的工藝參數還包括激光掃描速度、掃描間距和重複次數，采用相同方法依次縮小最優(you) 工藝參數的選擇範圍。 經過不斷的參數優(you) 化，當能量密度為(wei) 3.389J/cm²，速度為(wei) 800mm/s，掃描間距為(wei) 30μm，重複次數為(wei) 6次和能量密度為(wei) 4.44J/cm²，速度為(wei) 1000mm/s，掃描間距為(wei) 30μm，重複次數為(wei) 7次時，在低溫熱處理後表麵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(wei) 3.5°，完全符合超疏水表麵的要求。 圖1.9 超疏水表麵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麵微織構的加工時，通過工藝參數不斷優(you) 化，可以得到呈周期性整齊排列的微織構，為(wei) 超疏水表麵的構建做好鋪墊，也為(wei) 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麵的基本原理和優(you) 勢，從(cong) 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麵進行加工，結合低溫熱處理，實現了鎂合金表麵潤濕性的調控，研究了不同激光工藝參數對表麵形貌的影響規律，並揭示了相關(guan) 機理，結果表明：激光能量密度、掃描速度、掃描間距以及重複次數對鎂合金表麵形貌及潤濕性有著重要影響。周期性織構表麵疏水性優(you) 於(yu) 隨機織構表麵；微織構周圍附著激光加工時產(chan) 生的微納米顆粒，形成多級結構，有利於(yu) 超疏水表麵的構建。
04、英諾激光皮秒激光器 AMT係列
AMT-1064係列紅外皮秒激光器，擁有領先的自動換點技術和光斑補償(chang) 技術，先進的技術保證了優(you) 質的光束質量、光斑大小、延長晶體(ti) 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(ti) 化設計，能有效簡化客戶的整機設計，為(wei) 集成商降低集成成本與(yu) 難度，提高生產(chan) 效率。 激光器可通過外部觸發信號控製，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衝(chong) 觸發（POD）功能。 AMT1064 AMT-1064紅外皮秒激光器擁有優(you) 質的光學質量，光斑質量(M²＜1.2)，圓度可達90%以上，可靠的脈衝(chong) 穩定<2%、功率穩定性<3%。激光器功率涵蓋15-75W，可定製90W，工作頻率範圍涵蓋10-1000kHz，最高可定製達10M。脈衝(chong) 能量最高可達2mJ，12ps的超窄脈衝(chong) 寬度。在100K時，可提供＞30W的輸出功率，單脈衝(chong) 能量可達300μJ以上，且脈衝(chong) 串模式下最多可提供1-10個(ge) 脈衝(chong) 選擇，並且可以按需對單個(ge) 脈衝(chong) 的能量進行調節。 應用領域 憑借以上的優(you) 勢，AMT-1064紅外皮秒激光器不僅(jin) 在鎂合金表麵進行激光加工具有優(you) 勢，同時更可以廣泛應用於(yu) 各種透明脆性材料如玻璃、藍寶石、全麵屏等切割；切割厚度範圍廣，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）。
參考文獻 [1] Polmear I J, StJohn D, Nie J F, et al. Light alloys: metallurgy of the light metals[M]. 5th ed. Oxford: Butterworth-Heinemann Elsevier Ltd., 2017. [2] Wang Z W, Li Q, She Z X, et al. Facile and fast fabrication of superhydrophobic surface on magnesium alloy[J]. Applied Surface Science, 2013, 271: 182-192. [3] 江雷.從(cong) 自然到仿生的超疏水納米界麵材料[J].新材料產(chan) 業(ye) ,2003(03):60-65. [4] Jiang L , Wang R , Yang B , et al. Binary cooperative complementary nanoscale interfacial materials[J]. Pure & Applied Chemistry, 2000, 72(1-2):73-81. [5] Zhu Y , Zhang J , Zheng Y ,et al.Stable, superhydrophobic, and conductive polyaniline/polystyrene films for corrosive enviromnents[J].Advanced Functional Materials, 2006, 16(4):568-574. [6] Kietzig A M, Hatzikiriakos S G, Englezos P. Patterned superhydrophobic metallic surfaces[J]. Langmuir, 2009, 25(8): 4821-4827. [7] Ta D V, Dunn A, Wasley T J, et al. Nanosecond laser textured superhydrophobic metallic surfaces and their chemical sensing applications[J]. Applied Surface Science, 2015, 357: 248-254. [8] Trdan U, Hocevar M , Gregorcic P. Transition from superhydrophilic to superhydrophobic state of laser textured stainless steel surface and its effect on corrosion resistance[J]. Corrosion Science, 2017, 123: 21-26. [9] 楊奇彪, 鄧波, 汪於(yu) 濤, 等 . 飛秒激光誘導鋁基的超疏水表麵[J]. 激光與(yu) 光電子學進展, 2017, 54(10): 101408. [10] 張徑舟, 陳烽, 雍佳樂(le) , 等.飛秒激光誘導仿生超疏水材料表麵的研究進[J]. 激光與(yu) 光電子學進展, 2018, 55(11): 110001.
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
