上海工程技術大學&英國華威大學&江蘇科技大學《Optics & Laser Technology》綜述：飛秒和納秒激光加工塊狀金屬玻璃（BMG）的研究現狀

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第一作者：張微林

通訊作者：張培磊

通訊單位：上海工程技術大學

DOI：https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2023.109812

1. 論文導讀

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近日，上海工程技術大學材料科學與(yu) 工程學院張培磊教授團隊，在Optics & Laser Technology發表題為(wei) “Research status of femtosecond lasers and nanosecond lasers processing on bulk metallic glasses (BMGs)”的綜述論文。該論文結合作者團隊多年的經驗與(yu) 成果，全麵回顧了飛秒激光和納秒激光在金屬玻璃表麵的加工現狀，包括但不僅(jin) 限於(yu) 激光與(yu) 材料相互作用機製、表麵微納結構的製備、對於(yu) 不同材料性能的提升等。

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2. 全文概述

近年來，激光加工對金屬玻璃進行表麵改性的研究工作越來越多，表明激光與(yu) 金屬玻璃表麵的相互作用很有趣。短脈衝(chong) 激光和超短脈衝(chong) 激光加工因其脈衝(chong) 寬度窄、能量密度高、對材料作用時間短而在該領域最為(wei) 突出。特別是飛秒激光器和納秒激光器為(wei) 金屬玻璃（BMGs）的高質量、高效率和低損耗加工提供了巨大的可能性。本文綜述了這一特定研究領域，介紹了金屬玻璃的性質和應用，飛秒激光器和納秒激光器的加工特性，並從(cong) 微觀角度解釋了激光與(yu) 金屬玻璃之間的複雜過程。此外，本文還分析了微納結構和宏觀形貌，並討論了微觀機理對結構的影響。另一方麵，還討論了微納結構的性能，包括力學性能、光學性能、潤濕性和生物相容性，這對金屬玻璃的表麵功能化具有重要意義(yi) 。

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3. 圖文解析

a.飛秒激光

圖1.分子動力學模擬顯示了超短激光照射下Zr-Cu金屬玻璃表麵納米空腔的發展，峰值能量F=0.06J/cm2和一次激光射擊。輻照模擬開始後165ps納米孔周圍溫度和c壓力的演變。

圖2.以F=0.38J/cm2（a,b）和F=0.15J/cm2（c,d）的線性偏振激光脈衝(chong) 輻照後BMG（a,c）和CA（b,d）樣品表麵的掃描電鏡圖像。插圖中顯示了CA形狀的放大區，以及BMG表麵無定形和結晶相的EBSD結構評估。較高通量值（N=1,2,4）時使用的脈衝(chong) 數較少，而較低通量情況下使用的脈衝(chong) 數較多（N=20,50,100）。(a)中的插圖給出了在N=4時較高通量F=0.6J/cm2的例子。LSFL表示通常垂直於(yu) 激光偏振方向形成的LSFL波紋。(a,b)中給出了BMG和CA情況下N=4脈衝(chong) 時LIPSS的二維傅立葉變換（FT）表示法，顯示了LSFL和HSFL的發展及其在空間-頻率空間（K空間）中的特定空間周期性。

圖3.Zr基金屬玻璃表麵具有高輪廓，具有不同的有效累積能量。

圖4.多脈衝(chong) 飛秒激光器在0.18J/cm2的低能量通量下照射的樣品的表麵形態.（a）N=10，（b）N=30和（c）N=100。

圖5.(a)激光加工周期性表麵光柵結構的三維示意圖，(b)能量密度變化與(yu) 顏色變化的關(guan) 係示意圖，(c)未處理、2.5J/mm2和8.0J/mm2處理的XRD圖譜。

圖6.飛秒激光納米結構表麵的形貌：(a)V105s的拋光表麵；(b)V105s的納米粒子結構表麵；(c)V105的LIPSS；(d-g)Zr-BMGs的納米顆粒結構表麵；(h-k) Zr-BMG的LIPSS。

圖7.(a)不同結構V105s表麵的接觸角變化，(b)試樣的水接觸角變化，(c)正十六烷試樣的接觸角變化，(d)試樣的表麵能變化；誤差條表示基於(yu) 每個(ge) 樣本不同區域的三個(ge) 測量值的標準偏差。

圖8.金黃色葡萄球菌在(a)拋光表麵、(b)納米顆粒結構表麵和(c)LIPSS上的表麵接觸狀態。表麵細菌粘附狀態示意圖（d）在拋光表麵上，(e)在納米結構表麵上和(f)在LIPSS上。

b.納秒激光

圖9.納秒脈衝(chong) 激光照射的a非晶和b晶體(ti) 的燒蝕過程。

圖10.在各種峰值激光功率強度下獲得的激光燒蝕區域的3D拓撲,（e）–（h）為(wei) 圖3（a）–（d）中標記線的橫截麵剖麵圖,實驗的激光脈衝(chong) 數量均為(wei) 1000。

圖11.經(a)10J/cm2、(c)30J/cm2、(e)50J/cm2的各種激光能量密度處理的凹坑紋理表麵的SEM顯微照片和選定酒窩的相應橫截麵輪廓(b)(d)(f)。

圖12.（a）-（c）是0.649W的較高平均功率下的形態。（d）–（f）是較低掃描速度1mm/s下的形態。

圖13.不同激光能量密度下激光照射後鐵基MG表麵的SEM形貌：(a、b)0.85J/cm2、(c、d)1.39J/cm2和(e、f)1.89J/cm2

圖14.(a)激光處理BMG棒材表麵殘餘(yu) 應力的模擬和(b)彎曲過程中力的示意圖，(c)不同激光強度處理樣品的應力應變曲線，曲線右側(ce) 出現斷裂。

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4. 總結展望

綜上所述，金屬玻璃作為(wei) 一種新興(xing) 的材料，相較於(yu) 傳(chuan) 統金屬材料，金屬玻璃有著眾(zhong) 多優(you) 勢，這也使得其在工業(ye) 或醫療行業(ye) 中有著巨大的潛力，飛秒激光和納秒激光的出現讓金屬玻璃的應用更加廣泛。本文從(cong) 飛秒激光和納秒激光與(yu) 金屬玻璃的相互作用微觀機製、不同表麵微納結構的製備以及與(yu) 性能的關(guan) 係這是角度出發，較為(wei) 詳細的總結了近十幾年來的研究現狀。

此外，作者團隊在理解上述研究的基礎上，也將更進一步的對納秒激光和飛秒激光加工金屬玻璃方向進行研究，提出更多二者相互作用的機製，並用模擬的方式進行體(ti) 現，為(wei) 該方向提供更多有力的機理解釋。除上述兩(liang) 種激光加工方式外，阿秒激光作為(wei) 脈衝(chong) 時間更短的激光，在與(yu) 金屬玻璃的作用中會(hui) 產(chan) 生哪些有趣的現象，目前還有待研究，相信這會(hui) 對金屬玻璃的發展提供重要幫助。

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5. 主要作者介紹

張培磊 博士、教授

2010年畢業(ye) 於(yu) 上海交通大學，獲博士學位。曾赴中南大學和德國弗朗霍夫ILT激光技術研究所從(cong) 事訪學研究。一直致力於(yu) 激光與(yu) 材料相互作用、激光智能製造係統的研究。目前已在激光智能製造領域的國際知名期刊發表 SCI、EI 收錄論文100餘(yu) 篇，申請國家各類專(zhuan) 利30餘(yu) 項，獲得國家發明專(zhuan) 利授權12項、實用新型專(zhuan) 利授權5項。指導完成國家級、上海市等大學生創新訓練計劃項目12項，指導學生獲國家獎學金5人次、上海市大學生新材料創新創意大賽一等獎。擔任SVOA Materials Science & Technology期刊編委、Coatings期刊特刊編輯、Frontiers in metals and Alloys期刊評論編輯、焊接雜誌社青年編委、《金屬加工（熱加工）》編委，受邀為(wei) Materials Today、ACS Applied Nano Materials、Materials Science and Engineering A, Applied Surface Science, Journal of Alloys and Compounds 等多家國際著名期刊審稿人。目前為(wei) 上海市焊接學會(hui) 理事、中國機械工業(ye) 教育協會(hui) 焊接技術與(yu) 工程專(zhuan) 業(ye) 教學委員會(hui) 委員，中國機械工程學會(hui) 焊接分會(hui) 委員。作為(wei) 項目負責人已完成國家自然科學基金、中央軍(jun) 委總裝備部預研項目、上海市自然科學基金、上海市科委重點研發項目、上海市高新技術領域重點項目、新疆自治區科技援疆專(zhuan) 項、克拉瑪依市重大專(zhuan) 項等多項國家、省市級課題的研究。還承擔了上海電氣電站設備有限公司、上海電氣核電設備有限公司、上海振華重工有限公司、上海外高橋造船有限公司、中科院等離子體(ti) 物理研究所、中車青島四方機車車輛股份有限公司、通快（中國）有限公司等企業(ye) 委托技術開發課題的研究，獲得2015年上海科技進步一等獎，入選江蘇省“雙創人才”。

張微林 碩士研究生

張微林，上海工程技術大學碩士研究生，主要研究金屬玻璃表麵微納結構的超快激光加工。