来自意大利梅西纳大学的研究人员在国际期刊Materials上发表了文章Graining and Texturing of Metal Surfaces by Picosecond Laser Treatment。

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论文导读

表面形貌对材料的摩擦学性能有着重要的影响，研究人员提出了不同的方法来控制材料在受表面织构影响下的摩擦学行为。与传统方法相比，超短脉冲激光的烧蚀过程基本不产生熔化现象；因此，在激光加工处理后，微加工材料的边缘不会发生堆积，不需要对表面进行抛光处理，是一种合适的表面加工技术。激光表面织构化(LST)可以控制摩擦表面在共形和非共形接触过程中的摩擦和磨损行为，在涂层基体界面产生机械互锁，并制造超疏水表面。

Laser & Electron Beam Processing

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全文概述

论文使用皮秒激光源结合振镜扫描仪实现了不同金属箔(黄铜、钼、镍、铜和不锈钢)的织构化表面，改变了材料的润湿性/浸润性。该技术可以用于制造高性能轴承和其他机械精密零件。论文主要研究了不同材料表面润湿性的变化，尤其是亲水性或浸润性。为了更深入地研究样品特性，研究进行了轮廓测量、扫描电子显微镜观察和光谱学表征，对金属材料皮秒激光微织构表面的物理化学性质进行了系统分析。

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图文解析

图1显示了在扫描速度为50，500，1500和2500 mm/s时，三种溶剂在未织构和织构化黄铜表面上的代表性液滴行为。对于所有使用到的溶剂，在最低扫描速度下，液滴在表面织构上的粘附行为更明显，而随着扫描速度的增加，CA值趋向于无织构情况下的值。这几乎是一般趋势，同时适用于其他被研究的金属。

图1. 溶剂液滴在黄铜箔上的接触角图像及对应值。CA值的标准偏差在所有情况下均小于2 °。

图2为镍和钼样品在不同扫描速度下的SEM图像。在这两种材料上，最低扫描速度(50 mm/s)下的织构化表面显示出具有较高粗糙度的不规则颗粒状结构(在微米尺度上)。在较高的放大倍率下，可以看到激光诱导周期表面结构(LIPSS)，其周期与激光波长(低空间频率LIPSS、LSFL)相当。产生的条纹与激光束的偏振方向正交。

图2. 镍(a~c)和钼(d~f)样品在不同放大倍数下的SEM图像，在扫描速度为50、500和2500 mm/s 下产生织构化表面。

图3为在不同扫描速度下织构化的不锈钢样品SEM图像，并与未织构化的情况进行了比较。图3f可以直接比较高速织构化(2500 mm/s)和无织构化的情况，可以看到没有明显的形态变化。在不同放大倍率下观察到了500 mm/s织构样品的表面形貌(图3c-e)。此外，在这种情况下，织构化的速度越低，表面不平度和相应的平均粗糙度越高。最高的放大倍数可以观察到LIPSS，且显示纳米晶粒作为间隙产物。

图3. 未织构(a)和扫描速度为50 (b)、500 (c~e)和2500 (f) mm/s的织构化不锈钢试样在不同放大倍数下的SEM照片。

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总结

论文设计试验研究了铜、钼、不锈钢、镍和黄铜箔的有效激光织构化表面。特别研究了材料表面润湿性与形貌变化之间的关系。通过适当地改变织构图案的形状和大小来控制样品的亲疏水特性。织构化表面可以提供更好的润滑保持性，从而最大限度地减少磨损并延长零件的使用寿命。皮秒激光制造的织构化表面可以改善材料表面和润滑剂之间的机械互锁。这种改善归因于表面积的增加和有利表面氧化物的存在，以及激光处理表面有比无织构表面更好地保留润滑剂的能力。此外，织构化图案可以帮助应力更均匀地分布在整个表面，减少局部磨损，延长涂层的寿命。最后，对于所选择的激光加工参数，金属材料的浸润性没有明显变化。为了克服这一缺点，研究人员认为激光诱导表面(增加了表面积，改变了表面与液体之间的相互作用)结合化学处理可以有效地用于增强金属亲油性，为需要特殊表面性质的应用开辟了新的可能性，特别是在石油等必不可少的行业。

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