中国科学院长春光机所：突破！飞秒激光技术为金属防腐带来革新

2024-11-12 16:25:21 来源：中国光学

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简介：近日，中国科学院长春光机所的杨建军团队在金属防腐领域取得了重要突破。他们通过结合飞秒激光元素掺杂微纳结构(FLEM)与循环低温退火(RLA)技术，成功在金属铝合金表面构建了一种以次晶相态为主导的仿生蚁穴状结构(BAT)，实现了高效稳定的自启动超疏水效果。这一研究成果不仅为金属防腐提供了新的思路，也为高性能材料表面的设计与开发开辟了新的道路。

近日，中国科学院长春光机所的杨建军团队在金属防腐领域取得了重要突破。他们通过结合飞秒激光元素掺杂微纳结构(FLEM)与循环低温退火(RLA)技术，成功在金属铝合金表面构建了一种以次晶相态为主导的仿生蚁穴状结构(BAT)，实现了高效稳定的自启动超疏水效果。这一研究成果不仅为金属防腐提供了新的思路，也为高性能材料表面的设计与开发开辟了新的道路。

创新技术与结构

杨建军团队的研究方法独具匠心。他们利用FLEM技术在铝合金表面制备出BAT结构，这种结构具有从几十微米到几十纳米不同尺度的粗糙特征，相比传统激光加工制备的结构更为复杂，具备更高的毛细管压力和较低的粘性阻力，能够有效阻止外来液滴的渗透。

更重要的是，BAT结构的形成严格依赖于飞秒激光元素掺杂过程，这是传统激光加工方法所无法实现的。这种多尺度形貌和蜿蜒曲率特征的BAT结构不仅提升了材料表面的粗糙程度，还增强了对空气的捕获与储存能力，进而提高了超疏水的稳定性。

卓越性能与验证

实验结果表明，该金属样品在长达2000小时的腐蚀性盐水浸泡后，其表面依然能够保持良好的超疏水性能。此外，这种结构的耐腐蚀性能也尤为突出，实验测得的腐蚀电流低至10^-12A/cm²，较未加工样品降低了5个数量级。同时，这种自主性的超疏水金属表面也能承受住不同酸碱溶液浸泡、紫外辐射和冷冻循环等多种苛刻环境的挑战。

为了从理论层面进一步验证次晶相态形成的重要性，杨建军团队与沈阳金属研究所的马会副研究员团队携手合作，运用从头计算方法进行了深入研究。研究结果表明，次晶相态的形成对于材料表面能降低和化学稳定性提升起到了重要贡献。

次晶相态的关键作用

通过高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)观察，研究人员发现随着RLA处理次数的增加，材料表面涌现出更多细小的次晶相态结构。这些次晶结构被非晶态所分隔，整体呈现次晶-非晶镶嵌分布模式。随着次晶相态形成占比的增加，样品表面超疏水性能也呈现出逐渐增强的变化趋势。

利用VASP分析材料表面能和电荷密度分布的情况，研究人员发现非晶态样品比次晶相态样品的表面能更高，而次晶相态形成占比的增加则导致表面能逐渐降低。此外，Si元素掺杂还能进一步促进表面能的降低。

应用前景与研究意义

这一研究成果为基于材料表面原子尺度调控的自主持久超疏水性能探索出了一条全新的道路。它不仅避免了有机改性剂的缺陷，有效解决了金属表面极端拒水性持久保持的关键难题，还为超疏水领域开辟了广阔的前景。

此外，这一突破还为高性能材料表面的设计与开发提供了全新的研究思路。通过精细调控材料表面的微纳结构和化学组成，可以实现各种特殊功能，如自清洁、防腐蚀、减阻等，为工业生产和日常生活带来更多便利和效益。

总之，中国科学院长春光机所的这一研究成果不仅展示了飞秒激光技术在金属防腐领域的巨大潜力，也为材料科学的发展注入了新的活力。随着研究的深入和技术的不断推广，相信这一成果将在更多领域得到广泛应用和深入发展。