通讯作者简介

王吉

中国科学院宁波材料技术与工程研究所

王吉，中国科学院宁波材料技术与工程研究所副研究员。主要从事光场调控、激光微/纳米加工、宽禁带半导体材料功能结构制备的研究。近年来承担国家自然科学基金青年项目、中国科学院先导子课题等多项国家科研项目。累计发表SCI论文20余篇；申请国家发明专利20余项，已授权16项。

文章导读

在风力发电叶片、海洋装备等高端应用领域，玻璃纤维增强树脂 (GFRP) 凭借其轻质高强的特性，成为了核心关键材料。然而，因亲水性导致吸水腐蚀与低温结冰的问题，始终是制约GFRP材料长效服役的“隐形杀手”。超疏水表面 (SHS) 技术被视为破局关键。这一技术受自然界的荷叶效应启示：其核心原理是将微纳结构与低表面能相结合。现有激光加工虽在金属、陶瓷领域大放异彩，但对于加工树脂基这类热敏感材料依旧是难点——过度烧蚀、结构失控成为技术瓶颈。

基于上述背景，中国科学院宁波材料技术与工程研究所激光极端制造研究中心的王吉副研究员，在Nanomaterials期刊的“Advanced Laser Manufacturing: Preparation of Functional Nanostructures and Synthesis of Nanomaterials”特刊上发表了题为“Study on the superhydrophobic properties of micro/nano holes structure on the surface of glass fiber reinforced plastics based on femtosecond laser etching”的研究论文 (特刊网址：)。

该研究提出一种基于飞秒激光的多脉冲网格状点蚀刻 (MP-GPE) 方法，考虑了单脉冲能量和刻蚀脉冲数量对微观形貌和液滴接触角的影响，并在树脂表面刻蚀出高精度网格凹孔阵列，成功构建稳定的微纳分级结构，无需依赖涂层或高温退火，即可实现接触角160.6°的超疏水表面。该研究有望促进GFRP材料在改善风力发电和海洋防腐等方面的应用发展。

研究过程与结果

该研究首先探究了飞秒激光单脉冲能量 (5~35 µJ) 对GFRP材料表面凹孔形貌的影响，如图1所示。在MP-GSE方法中，单脉冲能量对凹孔几何形态有显著影响。最初，网格状表面是平坦的，相邻凹孔之间的间距约为4.3 µm (60个脉冲下) 和8.2 µm (40个脉冲下)。该区域表面没有激光烧蚀引起的纳米孔或重熔颗粒。随着能量的增加，激光对树脂表面的热烧蚀效果增强。在60个脉冲下，能量从10 µJ增加到25 µJ，重熔区域逐渐扩大，图1 (c)-(e) 中出现了大量的纳米孔和重熔颗粒。相邻凹孔之间的梁结构逐渐被压缩，无法保持表面平整度，导致样品的粗糙度显著增加。

图1.不同激光能量下凹孔阵列表面：(a-e) 60个脉冲，单脉冲能量分别为5、10、15、20、25 µJ；(f-i) 40个脉冲，单脉冲能量分别为5、10、15、20和25 µJ。

图2表明，在60次脉冲下，随着单脉冲能量从5 µJ增加到25 µJ，接触角 (CA) 先增大后减小。当25 µJ时，表现出最佳超疏水性，CA平均值为159.7°。当能量超过25 µJ，表面出现不同程度的过烧蚀和纤维断裂现象，导致接触角下降，如图3所示。研究发现，CA与凹孔平均深度随脉冲能量的变化趋势一致。

图2.不同脉冲能量下的润湿性：(a) 接触角与液滴状态；(b) 凹孔深度。

图3.大能量下的过烧蚀和纤维断裂现象。

随后，作者探究了脉冲数量 (20、40、60、80、100) 对表面凹孔结构以及湿润性能的影响。如图4所示，随着刻蚀脉冲数的增加，凹孔之间梁结构逐渐粗糙，孔深度加剧。表面开始出现少量的纳米级颗粒结构。当脉冲数达到80，梁结构开始出现大面积的塌陷，变成分散的类“风化石”结构，布满了微-纳米颗粒。逐渐塌陷的梁结构中被去除的材料悬挂在凹孔内壁上，阻碍了后续脉冲对深度的刻蚀作用。

图4.不同脉冲数下的表面：(a) 20；(b) 40；(c) 60；(d) 80；(e) 100；(f) 凹孔上表面宽度。

不同脉冲数量下的接触角与液滴状态，如图5所示。在60个脉冲时，表面疏水性最强，接触角为159.7°±0.97°，此时凹孔深度也最大。然而，当脉冲数超过60后，激光热影响区的扩大导致凹孔周边梁结构破坏，深度减小，接触角下降。脉冲数需优化以平衡表面粗糙度和热效应，其规律与脉冲能量的影响规律一致。

图5.不同脉冲数量下的接触角与液滴状态。

最后，该研究建立了一个接触角预测模型，如图6所示。该模型指出，由凹孔形成的表面气室减小了固-液接触面积。通过6 µL液滴的实际表面固-液接触面积占比，理论计算结果161.6°与实验值160.6°结果一致。

图6.超疏水机理分析：(a) 基于微孔结构的超疏水液滴状态；(b) 液滴浸入凹孔的状态；(c) 凹孔体积与疏水角的影响关系。

研究总结

针对GFRP材料在寒冷潮湿环境中易结冰和腐蚀的问题，研究通过激光刻蚀表面微结构实现超疏水表面，设计了一种基于飞秒激光的多脉冲网格状点蚀刻 (MP-GPE) 技术，通过系统性研究单脉冲能量以及刻蚀脉冲数量对GFRP材料表面微观形貌和凹孔阵列尺寸的影响，有效抑制了树脂基的过烧蚀和玻璃纤维的暴露，成功实现了最大疏水角160.6°的超疏水表面。同时，该研究还建立了接触角预测模型，其理论计算结果161.6°与实验值高度一致，进一步验证了该技术的可靠性。这一研究成果不仅为开发高效、被动疏水和自清洁功能的新型材料提供了重要技术支持，有望促进GFRP材料在改善风力发电和海洋防腐等方面的应用。

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阅读英文原文

原文出自Nanomaterials期刊

Wang, J.; Wang, G.; Zhu, Z.; Zhang, W. Study on the Superhydrophobic Properties of Micro/Nano Hole Structure on the Surface of Glass Fiber Reinforced Plastics Based on Femtosecond Laser Etching.Nanomaterials2025,15, 287.

Nanomaterials期刊介绍

主编：Eugenia Valsami-Jones,University of Birmingham, UK

期刊主题涵盖纳米材料 (纳米粒子、薄膜、涂层、有机/无机纳米复合材料、量子点、石墨烯、碳纳米管等)、纳米技术 (合成、表征、模拟等) 以及纳米材料在各个领域的应用 (生物医药、能源、环境、电子信息等) 等。

2023 Impact Factor

4.4

2023 CiteScore

8.5

Time to First Decision

14.1 Days

Acceptance to Publication

1.9 Days

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