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0 引言
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在激光领域内,一般定义“超快”为在原子分子系统中,原子分子运动的时间可控制在皮秒到飞秒之间, 换句话说, 当脉冲宽度小于1 ps(10-12s)至1 fs(10-15s)时便可称此量级的脉冲激光为超快激光。 原子的内库伦场比超快激光的光电场弱,电场相对具有足够高的强度可以使材料产生电离作用,现如今超快激光已可达到飞秒量级,这种激光的脉冲宽度仅为电子绕原子核运动周期特征时间尺度的二分之一,在时间上可谓是极短乃至接近零。 激光的光谱范围大小与激光的时域宽度成反比,时域宽度越窄对应的光谱范围则越宽广,超快激光因此拥有着远高于普通激光的光谱范围。 对于超快激光而言,多光子的吸收会产生光致电离,这是材料的主要损伤诱因。 在超快激光作用材料的整个过程中,激光能量传递到晶格相对较慢,材料被作用的区域温度升高并不明显,因此超快激光加工材料时产生的热效应较低,这种特性也被称之为“冷加工”。
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近年来,为了改善加工精度、减少材料损伤、提高加工效率,微加工领域已逐渐成为研究者们关注的热点。 超快激光同时具有损伤低、精度高等多方面的加工优势成为促进微加工技术发展的重点。 同时,超快激光可作用于多种材料,其中激光加工材料损伤也是主要的研究方向。 利用超快激光对材料进行烧蚀加工,当激光的能量密度高于材料的烧蚀阈值时,被烧蚀的材料表面会呈现出具有一定特征的微纳结构,试验表明,这种特殊的表面结构是激光加工材料时出现的普遍现象。 制备表面微纳结构可以改善材料的自身性能,也可实现新材料的研发,这使超快激光制备表面微纳结构成为一种具有重要发展意义的技术方法[1-4]。
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1 超快激光加工表面结构的机理
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在材料表面加工出不同的微纳结构使其表现出不同的物理化学性能,如超疏水、超厌气、超光学吸收等,这在机械电子、复合材料、航空航天等领域都具有广阔的应用前景,所以超快激光制备材料表面微纳结构日益成为人们的关注点[5-6]。 常用的超快激光微加工方式一般分为自上而下和自下而上加工,其中包括电化学腐蚀、单点烧蚀、线扫描、多光束干涉等[7-9]。 一般情况下,激光制备表面结构技术无需中间辅助工具,采用适合的激光功率直接照射材料表面进行大面积加工使材料表面出现微纳结构,如图1 所示[10-11]。 利用超快激光加工不同材料时,加工机理也有很大的不同,这主要取决于材料对光子不同的吸收方式[12]。 其中,超快激光作用于金属材料和非金属材料的加工机理如图2 所示[13-14]。
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图1 激光大面积制备表面微纳结构[10]
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Fig.1 Surface micro-nano structure prepared by laser in large area[10]
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图2 超快激光加工金属材料与非金属材料的机理图[14]
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Fig.2 Mechanism diagrams of ultrafast laser processing of metal and non-metal materials[14]
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1.1 超快激光与金属的相互作用
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激光辐照金属材料时,电子先升温,晶格随之升温。 超快激光与金属相互作用的机理如下:
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(1) 金属电子的比热容较小,相对于晶格来说升高同样的温度时所需要的热量会更小,当电子升高至一定温度时晶格还处于较为冷却的状态。
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(2) 电子的质量相对晶格较小,在激光场中的响应速度较快,可以跟得上光电场的运动周期,从而可以有效地从激光场中获取能量,吸收了激光能量后电子之间相互碰撞使得晶格开始逐步升温,最终达到平衡状态。
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(3) 晶格升温到平衡状态所需的时间即电子碰撞所需的时长,主要是由电子-声子碰撞弛豫时间决定。
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当超快激光于金属材料相互作用时为了方便研究通常会引入双温模型,模型主要表述电子温度 和晶格温度 随时间的变化,模型如下[15-16]:
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式中, 指电子热容; 为晶格热容; 为电子的热导率;g为电子—晶格的耦合常数。
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其中,一部分金属在烧蚀过程中的热传导可以忽略不计,那么上述两个式子便可化简为:
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双温模型常用来解释说明激光能量在金属材料电子中的吸收传导以及电子-声子之间的能量互换,其中超快激光和金属材料带有的自由电子之间快速的能量交换是整个物理过程的重点,期间所需要的时间之短可达到飞秒量级。 另一个过程中,材料的自由电子向晶格传导能量的弛豫时间一般以皮秒计算,比起自由电子之间的能量互换所需的时间要更久一些[17]。
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1.2 超快激光与非金属的相互作用
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由于非金属不像金属本身自带大量电子,所以机制不同。 超快激光与非金属相互作用的机理如下:
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(1) 激光辐照非金属时,材料先发生光致电离产生部分束缚电子。
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(2) 其次,束缚电子之间相互碰撞产生雪崩电离现象,使材料表面产生更多自由电子,此时非金属材料表面附着大量的吸收等离子体,拥有了类似金属材料的特性。
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(3) 随后,等离子体开始吸收激光能量,相作用时激光光子被电子吸收,能量向晶格传送使晶格开始升温,通过熔化、气化等最终现象表现为材料被去除[18-21]。
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在超快激光作用非金属材料时,与金属材料最大的不同即束缚电子和自由电子的产生过程,两种现象的具体机理可概括如下。
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光致电离现象涵盖了多光子的吸收及隧道电离两个部分。 超快激光作用到非金属材料表面时,激光的电场直接对束缚电子产生影响,使束缚电子可以吸收多光子产生极高的能量并发生电离,供给电子足够的动能达到束缚电子向自由电子的转化,此过程中多发生在传统加工的吸收机制中,不会产生束缚电子对单光子的线性吸收机制。 与多光子的典型非线性吸收同样的还包括隧道电离,当超快激光的能流密度足够高时,激光的强电场会压制原子核对电子吸引的库仑场,使其成为电子能够穿越的垫垒,电子穿越垫垒的过程所需的时间若远短于激光场的振荡周期时,那么激光场此时可被看作为是静态,整个电离过程则称为隧道电离[22-23]。
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雪崩电离现象属于非线性效应的一种,当束缚电子吸收了多光子的能量后可具备较高的能量,通过彼此之间的相互碰撞达到能量的互相传递,从而在不断的碰撞中产生两个自由电子,此过程不断进行,两个自由电子再次吸收能量随机碰撞另外两个束缚电子使其产生四个自由电子,反反复复进行类似细胞分裂的动态作用,最终导致材料表面拥有大量的自由电子。 雪崩电离在非金属材料的自由电子产生中占有相当重要的地位[24]。
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1.3 烧蚀阈值
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一般利用超快激光加工材料表面时,激光的能流密度要达到材料的烧蚀阈值以上才会对材料产生烧蚀作用。 一般定义对材料产生的破坏是不可逆的且能够去除掉至少一层材料的激光能流密度大小为材料的烧蚀阈值。
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随着材料的变化,烧蚀阈值也会有所不同,同一种材料的烧蚀阈值基本是不变的,对材料的烧蚀阈值大小进行确定的过程就是对激光聚焦光斑的尺寸大小进行确定的过程。 用 来表示超快激光的中心峰值能量; 为超快激光的入射脉冲能量;r 为材料发生烧蚀的半径,ρ 为超快激光的脉冲空间半径,则可以将 与 二者之间的关系表达为:
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此外,以上式为基础加以改动可用来表达材料的烧蚀直径 D 与超快激光的束腰半径 与、 之间的关系[25]:
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通过计算分析材料的烧蚀阈值可以对后期研究过程中激光的加工参数进行较为合理的设计,加工时若选择的激光能流密度低于烧蚀阈值便不足以使材料发生破坏,无法实现预期的表面加工处理,可见烧蚀阈值对超快激光制备表面微纳结构具有重要的实际应用。
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综上所述,超快激光与金属及非金属材料相互作用的过程十分复杂,多以非线性和非平衡状态为整个运作流程,目前对于超快激光作用材料的机理并没有一个比较完整的概论,这是超快激光发展过程中一个难以攻克的障碍,当前研究者们所整理的理论大多都是基于一种理想状态或是规律的总结,是否可以大范围的被适用仍需通过试验进行大量验证。
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2 超快激光加工表面结构对象的研究
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2.1 激光加工半导体材料
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半导体材料具有良好的光学性质,是当代研究技术中使用十分频繁的先进材料之一,在众多行业领域中都起着关键的作用。 半导体材料的高脆性加大了加工的难度,传统的机械加工容易使材料发生破损断裂现象,精度和成本都是难以解决的问题。 1965 年,Birnbaum等[26] 在半导体材料上利用红宝石激光诱导出了表面微纳结构,研究者们将这种现象解释为是光的衍射效应,这是人们首次利用超快激光诱导并成功产生周期性表面结构,虽然此次试验还有很多尚未成熟的地方,但对人们研究表面微纳结构起到了极大的推进作用并打下了良好的试验基础。
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硅作为常用的半导体材料,常用于太阳能电池、集成电路芯片等,在发展中有两大阻力:一是硅材料本身具有一定的反射率,作为光学器件需要大量吸收光时会产生资源浪费情况;二是吸收光谱不够广泛,造成使用有局限性,超快激光技术的进步给半导体的表面加工带来了新转机。Yang课题组[5]首次利用超快激光照射单晶硅材料表面,使其表面生成一种呈准规则排列的尖峰微纳结构,改变了材料表面原本的颜色使其呈现黑色,这种新材料后来被人们命名为“黑硅”,如图3 所示,经激光改性后的新材料具有超过90%的光吸收能力。 “黑硅”材料的有效吸收面积相对于普通硅材料提高了近20 倍,很大程度上减少了光反射造成的能量损耗,其良好的光谱吸收性能具有重要的潜在价值,被广泛地利用在太阳能电池、传感器、光电探测等领域[27-29]。 该课题组为制备单晶硅表面微纳结构开辟了全新的方法,也为后来的试验提供了技术参考。
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图3 “黑硅”表面尖峰微纳结构[5]
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Fig.3 Micro-nano structure of "black silicon" surface peak[5]
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吴文威等[29]在研究者们前期试验基础上,就证明“黑硅”的强吸收能力是由于超快激光在加工硅材料时增大了有效吸收面积以及表面结构发生变化后“黑硅”本身的结构具有陷光效应进行了研究。 通过几何光学的方法在200~2000 nm的光谱范围内对材料特殊结构的反射率进行仿真试验,如图4(a)为反射率的模拟仿真结果;图4(b)为试验测得结果。 利用超快激光增强半导体硅材料对光波的高效吸收,拓宽其原有主要吸收可见光波段的能力是研究重点之一。 此次试验成功地从理论上证明了利用超快激光制备出的微纳结构尖峰之间的间隙是理想的陷光区域,在间隙内光可以增加反射次数,增强表面对光的吸收率。 试验光谱范围的选择在200~2000 nm,所以在实际应用上并不能充分的对吸收率的提高原因进行解释说明,若可将光谱范围分为多级进行多层次研究,则理论结果将能更接近实际。
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“黑硅”作为一种能够广谱吸收并且吸收率极高的材料使用十分广泛,对于硅材料本身Wu等[30-31]率先对激光制备硅表面疏水、亲水问题进行了研究,成功在硅材料表面制备出了圆锥形尖刺结构,使材料表面展现出了良好的超疏水性能,通过试验得出结论:硅表面的微锥结构越高其疏水性就越强,如图5( a~c)所示。 这使得硅材料在除光学领域外的应用又开发了新的特殊功能,而且仿生超疏水表面本身也具有重要的研究价值,关于微锥结构越高疏水性就越强这一结论,作为一种超疏水结构的特点,完全可以试着在其他材料表面进行制备,观察此类结构特点是否在其他材料上也有同样的表现,还是会因材料的不同产生完全不同的结果。 总的来说,此次研究成果使“黑硅” 作为一种能够广谱吸收并且吸收率极高的材料得到更广泛应用。
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图4 不同尖峰高度的“黑硅”表面反射率[29]
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Fig.4 Reflectivity of " black silicon" surface with different peak heights[29]
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图5 激光制备硅表面超疏水性能[31]
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Fig.5 Superhydrophobic properties of silicon prepared by laser[31]
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Tommaso Baldacchini等人的研究使硅材料突破了其原有的应用, 在此之后Zorba等人[32-33]通过将超快激光置于SF6 气体环境中,成功加工出了表面色泽呈现接近黑色的“黑硅”微结构超疏水表面,经加工后的硅表面呈现明显的尖锥形貌,如图6( c) 所示;且每个尖锥的表面也附着许多纳米突出物,如图6( d) 所示;图6( b)表示水滴在材料表面时呈154°的接触角。 试验成功制备得了超疏水功能表面,加工过程中因将激光置于了特殊气体中,整个试验过程相对较为繁琐,且需要特别的试验装置,故研究成本相对较高。
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Chen课题组[34]提出了利用超快激光直接在空气环境中对硅材料进行加工,整个试验过程简化了许多特殊气体环境所需要的复杂步骤,且成功得到了形貌呈方形网孔结构的具有各向异性的超疏水性能表面结构。 此试验方法简单易行,在保证达到预期结果的前提下还能有效地减少成本和精力。 通过对比在不同环境中制备出的微纳结构可明显看出同一材料除去激光参数影
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图6 SF6 气体环境中制备的“黑硅”超疏水表面[32]
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Fig.6 Black silicon superhydrophobic surface prepared in SF6 gas environment[32]
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响以外,表面微纳结构的形成受环境的影响也很大,且加工得出的不同表面形貌对材料性能也有一定的影响,同时,观察多数硅材料的试验可看出几何形貌对于增强光的吸收率和疏水性的制备是至关重要得因素。
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2.2 激光加工金属材料
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利用超快激光制备材料表面结构可以应用在多种材料上,对于金属材料,Kietzig等[35] 利用超快激光在金属表面获得了多级表面周期性结构,通过测量观察得出结论:当激光与材料之间相互作用表面接触角大于150°材料会表现出明显的超疏水性能。 一般情况下,定义接触角小于90°时材料表面呈现亲水状态,当接触角等于90°时视为亲/疏水的分界线,当接触角大于90°时材料表面开始呈现出疏水状态,当接触角大于150°时则定义为超疏水[36-37]。 因此Kietzig等的试验在金属材料表面成功获得不同状态下具有超疏水性的微纳结构,为金属材料微纳结构的制备奠定了基础。
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Wang等[38]利用超快激光加工铜、铝、金3 种金属材料的表面,使之形成了具有中心模糊、边缘清晰特点的亚波长周期性条纹结构,3 种金属表面结构的清晰程度依次为铜>银>金,如图7 所示。 造成这种清晰度差别现象的主要原因如下:当电子-晶格能量耦合过程占主导地位时,会形成清晰的周期性条纹结构;当电子热扩散过程占主导地位时,形成的周期性条纹结构会相对模糊。 这种差别主要和材料的选取有很大关系,即便加工手法、激光参数、加工环境等相同时,材料本身的性质也是决定表面几何形貌形成具体差别的一个重要因素。 但其主要研究的内容是材料选取的变化对最终形貌的影响,后期并未对各个材料的表面微纳结构是否对材料产生了改性作用进行研究。
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图7 超快激光辐照3 种不同材料得出的亚波长周期性条纹结构[38]
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Fig.7 Subwavelength periodic fringe structure obtained by ultra-fast laser irradiation on three different materials[38]
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表面形貌的改变会使材料展现出不同的性能,成立等[39]对比了钛合金Ti-6Al-4 V材料表面无织构和有织构两种刀具在加工过程中的差异,发现有织构刀具的主切削力比无织构刀具平均减小了27%,充分证明了有织构刀具拥有更久的使用寿命,也为如何有效的减小刀具在加工工程中的磨损提出了可行方案。 王瑞等[40] 利用两种不同能流密度的超快激光加工钛合金材料,分别得到纳米级平行条状表面结构和微纳复合表面结构,随后用试验鼠研究两种不同表面结构对细胞的影响,发现钛合金表面呈微纳复合结构时更有利于细胞的黏附、迁移等。 这些试验的意义在于,证明钛合金表面结构的制备不同时会使其展现出不同的性能,为提高该材料性能找到了可行的方法。
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Rotella等[41]利用超快激光结合化学处理的方式加工钛合金Ti6Al4V表面,成功获得了如图8所示的分布均匀的微纳周期性表面结构,图8(a)为化学处理后的表面;图8(b)为激光处理后的表面,研究发现该结构提高了材料的表面粗糙度,增强了材料的黏附性。 将激光加工和化学处理结合在一起进行试验,二者起着相辅相成的作用,加工方法不仅绿色环保,且可适用于大部分金属材料,更进一步地拓展了激光的应用领域。
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图8 经超快激光及化学处理后的钛合金的表面[41]
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Fig.8 Surface of titanium alloy after ultra-fast laser and chemical treatment[41]
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由于金属自身的性能导致其在多种环境放置和使用时容易被腐蚀,加之其硬度有限,因此容易被磨损,在金属材料表面制备合理的微纳结构,必然会成为改善材料使用性能的重要方法之一。 另外,利用激光在表面加工出微纳结构对材料起到改性的作用,使材料具备原本不具有或不满足使用条件的特性,如超疏水、超黏附等,在工业中可应用于油水分离、水雾收集、表面防覆冰等,在医学领域可制备高质量高相容性的医用产品等等。
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2.3 激光加工硬质材料
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随着激光技术的发展,人们研究的对象不仅是普通金属及非金属材料,对难加工的硬质材料也一直在进行着探索,表面微织构作为表面工程的一个分支也逐渐地成为研究的热点。 表面织构具有改善摩擦、减小磨损和改变润滑性能的特点,被广泛地利用在刀具的制备中[42]。
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Sugihara等[43] 利用超快激光在WC-Co硬质合金刀具的前刀面上加工出了微凹坑阵列,如图9 所示,并对其切削性能进行了研究,结果表明:前刀面具有微凹坑结构时相比原始刀具明显改善了切削的耐磨性,很大程度提高了刀具的使用寿命。 日本大阪大学[43-44] 利用超快激光在立方氮化硼cBN材料表面制备出了微沟槽和微孔织构,提升了立方氮化硼在作为刀具时的切削性能,同时也保证了刀具加工材料时的精度。
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图9 WC-Co硬质合金刀具加工后的前刀面[43]
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Fig.9 Front cutting surface of a WC-Co carbide cutter after machining[43]
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陈中培[45]通过改变超快激光的功率、脉冲个数对制备硬质合金YG6 的微凹坑形貌、微凹坑分布与表面接触角的影响进行了研究,总结出当分布密度均保持在30%时,不同形貌的材料浸润性优劣顺序依次为正三角形、正方形、正六边形、圆形,且单个微凹坑的面积与疏水性成正比。
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有关刀具表面织构的研究主要集中在微织构的加工上,对于微纳复合织构的制备研究并不充足,刀具本身作为切削加工的用具,自身性能的好坏影响着加工的质量和精度,因此需要对刀具表面的织构分布和形貌进行更深一步的设计,以便实刀具切削性能的有效提升。
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Hao等[46]利用激光技术对金刚石刀具的摩擦性能进行了研究。 设定激光参数如下:脉冲能量 E=0.25 mJ,扫描速度 V =80 mm/s,激光扫描次数为2,线间距 P=30 μm。 图10 为扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜拍摄的形貌成不规则突起的表面微纳织构图像。 此后将材料放置在0.8%氟烷基硅烷溶液中浸泡24 h,在140℃烘箱中固化120 min,材料表面表现出了明显的超疏水性能。 超疏水性能可实现材料的减摩减阻、自清洁效果等,表面织构具备浸润性对于刀
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图10 金刚石表面微纳织构形貌[46]
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Fig.10 Micro-nano microstructure of diamond surface[46]
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具减磨有明显提高,且在切削过程中对于切削屑和切削液都能够进行良好的排除,使其不易粘壁,进而提高了加工精度。 此工艺还处于不断完善中,其内在的机理和工艺参数的优化还有待于进一步的探索。
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石墨烯是近年来科学家们研发出的新材料,具备极高的硬度,在各个领域都具有良好的应用前景。 Wang等[47] 在氧化石墨烯表面上利用超快激光制备出了规则的周期性结构表面,经改性后的石墨烯表面不仅具有绚丽的颜色同时还具备良好的超疏水特点,如图11 所示。 试验结果表明:超疏水功能性表面可以起到改善金属材料的耐腐蚀性、减少了摩擦阻力、抗生物淤泥、实现材料的自清洁等。 试验后期整个过程主要是对成型的微纳结构表现出的超疏水性能做探讨,表面呈现的颜色对光学的应用并未详细提及,一般来说,超快激光加工材料表面产生颜色变化时很有可能会改变其光学性能。 到目前为止很多工艺只局限于试验室内,将其发展成产业化还需要一定时间。
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图11 石墨烯表面周期性结构及接触角[47]
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Fig.11 Periodic surface structure and contact angle of graphene[47]
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综上,在硬质材料表面加工出合理的微纳织构,用来提升刀具的各项性能是切实可行的方法,多数试验更倾向于选取制备不同形貌及不同分布密度的表面织构来对各项参数进行对比。目前利用超快激光制备材料表面织构主要以微坑、微凸点、微沟槽和混合织构为主;其中,微沟槽织构应用的较为广泛。 同时,超快激光加工技术不仅可以提高材料的原有功能,还可以赋予材料新的性能,使材料得到更广泛的应用。 无论是对加工精度和使用寿命的要求,还是对材料的新功能开发及性能提升等,利用超快激光加工材料表面都具有重要的意义。
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3 超快激光加工表面结构工艺的研究
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研究者们不断的对材料的功能性表面进行研究,同时对如何加工出高质量的材料表面微纳结构进行了大量工艺试验。 传统加工工艺主要以圆偏振光入射材料表面、调控激光的光束轮廓、改变激光波长等加工出不同面积或形貌的表面微结构。
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近年来,为进一步提升表面结构的品质,研究者们对加工工艺进行了大量的钻研,可将其大体划分为单一激光加工和复合激光加工两类。
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3.1 单一激光加工工艺
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单一激光加工一般指加工的整个流程几乎不结合其他复杂工艺,主要通过激光的调节对材料表面进行加工处理。 Long等[48] 利用超快激光加工材料使表面产生不同形貌的微纳结构来实现水的附着力可调节。 试验中保持其他参数不变,只在10~200 mm/s的范围内来改变激光的扫描速度。 图12 为不同速度下激光扫描铜的表面形貌。 经研究得出结论:超快激光扫描的速度与水滴对金属铜表面附着力成反比,与超疏水性能成正比。 图13( a) 为不同扫描速度下表面接触角和摩擦角的关系; 图13( b) 为扫描速度在100~200 mm/s高速状态下接触角和扫描速度的关系,表明了材料的浸润性是如何受到表面结构的影响,也进一步证明了激光在与材料相互作用表面接触角大于150°时材料会表现出明显的超疏水性能。
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图12 不同扫描速度下铜的表面形貌[48]
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Fig.12 Copper surface images at different scanning speeds[48]
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图13 接触角与摩擦角/扫描速度的关系[48]
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Fig.13 Relationship between contact angle and friction angle/scanning velocity[48]
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Long提出的试验方法简单又新颖,只用改变扫描速度即可达到较为精准的调整表面形貌从而控制金属对水的粘附性从低到高的调节,为选择调整激光参数为主要手法加工材料表面提出了另一条简单有效的方案,这些具有可调节性的超疏水功能表面可应用在许多领域,如水的无损耗无污染转移的“机械手”等,但对于大型材料的制备和工业化生产还有一定的发展空间。
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Song等[49]使用了相似的方法研究了不同激光参数对材料表面疏水性能的影响,试验方法为先调整激光的扫描速度和扫描间距来控制表面形貌的变化,并归纳了表面形貌对水附着力的影响,结果与Long的结论一致,且当扫描速度为100 mm/s时,扫描间距在10~200 μm,疏水性能最好,如图14 所示。
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图14 水滴在表面上的接触角和滑动角[49]
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Fig.14 Contact angle and slide angle of the droplet on the surface[49]
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Zhang等[50]在利用扫描速度为1 mm/s,脉冲为800 nm的超快激光对硅片进行扫描,表面形貌呈现一维和二维纳米孔阵列。 图15 为硅表面微纳结构的SEM形貌。 在试验中,激光的偏振和扫描方向相同。 经加工后的硅片可以有效地衍射白光。 经改性后的材料可以用来进行防伪、彩色显示、装饰、加密和光学数据存储等。从性能的角度看,加工后的材料具有很好的实际应用价值,且应用范围较为广泛。 该试验美中不足在于对参数的设计较为单一,并未对参数选取进行划分,使得试验数据显得略微单薄,是否有更好的参数能提高光的衍射还有待进一步研究。
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图15 硅片表面微纳米孔阵列形貌[50]
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Fig.15 Morphologies of micro-nano-hole array on silicon wafer surface[50]
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此类加工工艺整个流程较为精简,主要通过调整激光参数来实现结果的调控,手法简单高效且无需其他复杂的工艺流程即可达到预期目标,重点在于对参数的设计和优化选取。 目前就如何无误的实现参数的精准调控还有一定的发展空间,加工参数的设定与材料的破坏阈值有着密不可分的关系。 对同一材料而言,参数的层级划分过多加工成本会随之升高,层级过少可能会错过最佳数据。 通过调节加工参数可以对材料实现功能改善,前人的试验结果可为今后的研究提供一个优化参数数据库,很大程度上缩短了经济和时间成本。
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3.2 复合激光加工工艺
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利用超快激光加工表面结构虽有着无可替代的优势,但在某些特殊要求下只利用激光进行加工会难以达到预期需求,故出现了将激光与其他工艺相复合的方法[51],不仅可以对激光加工出的微纳结构表面上再次进行分级微纳复合结构处理,还可以达到对成分和物质相同步调控的目的,为超快激光加工表面结构提供了新的路径。
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Taylor等[52]利用超快激光辐照石英材料表面,然后在氢氟酸的弱水溶液中进行化学刻蚀,经加工后材料的折射率有了明显改善,这种复合加工方式可以用来提高光波导的折射率。
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Yong等[53]采用了典型的逐行串行扫描方式利用功率为40 MW,扫描速度为5 mm/s,扫描线移动为5 μm的超快激光烧蚀聚二甲基硅氧烷PDMS(Polydimethylsiloxane) 表面,如图16 为激光烧蚀后的表面形貌,随后用丙酮、酒精和去离子水加上超声波辅助来清洗样品。 此时PDMS表面放置空气中呈现出超疏水性,在水中则表现为超亲油和超亲气。 再进一步受氧照射后,PDMS表面转变为超亲水特性,再将PDMS浸入水中时,又可表现出水下的超亲油性和超厌气性,成功做到超疏水-超亲水、水下超亲油的混合模式。 此次试验对材料超疏水、超亲油、超厌气等杂合转化的研究十分细致完整,具有混合模式的材料对控制水滴、油滴和气泡在材料表面的行为具有重要的指导意义。
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图16 激光烧蚀后PDMS表面的SEM形貌[53]
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Fig.16 Surface images of PDMS after laser ablation[53]
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Hu等[54]选取不同颜色的铝片为模板用超快激光进行表面扫描加工,随后运用转印脱模技术将其复制到PDMS材料表面上,放置在65℃ 的烤箱处理2 h待聚合物固化,转印后的PDMS膜可以很容易的从铝模板上剥离,得到理想的表面结构,如图17 所示为工艺流程图。 随后对材料进行表面功能测试,结果表明,转印后的表面结构仍对水滴具有不同程度的附着能力。 图18 为其中一种颜色的铝片转印出的PDMS表面形貌,右上角为液滴滴落状态。 此次试验的工艺简单快捷、经济有效,对大规模生产高分子功能表面有极大的推动作用,可灵活地应用在激光制备各种柔性材料表面上。
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图17 转印脱模流程图[54]
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Fig.17 Transfer demoulding flow chart[54]
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图18 PDMS表面形貌及水附着状态[54]
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Fig.18 Surface topographies and water adhesion of PDMS[54]
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Jiang等[55]曾先利用超快激光在钨表面上加工出微纳结构,再运用转印脱膜法,在金属铜表面转印脱模出了微阵列结构,使铜表面展现出了良好的超疏水性,如图19 所示。 转印脱模法的模板可重复使用,相当程度上降低了试验的成本,节省了公共资源,但对于表面较为复杂的结构制备还具有一定的局限性。
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复合激光加工材料表面常使材料产生改性作用,微纳结构的形貌直接影响着材料的性能,可根据实际要求选择分步复合或同步复合的加工方式对材料表面进行刻画。 超快激光可对材料表面进行大面积加工,其特点在于简单高效且可作用于几乎所有材料上,但在对表面有特殊要求的条件下也会存在局限因素,复合激光加工工艺的提出很大程度上解决了这一问题,将激光与化学法等各自的优势同时利用起来,可更有效地提高加工质量和调节可控性,拓展其应用领域。
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图19 转印法制备超疏水表面流程图[55]
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Fig.19 Flow chart of superhydrophobic surface prepared by transfer printing[55]
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4 超快激光加工表面结构最新研究趋势
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4.1 激光加工仿生材料表面
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随着科技的发展,人们通过观察自然界动植物表皮展现出的超疏/亲水、水雾收集等特殊性能,开始对生物表皮微纳结构进行研究,目前各种各样的功能性表面已被制备出,仿生功能表面逐渐成为新型材料研究发展的重要方向之一[56]。
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Ren等[57]选取纯度大于99.5%,厚度为35 μm的铝为材料,在氟硅烷和1.0%乙醇溶液中对材料进行超快激光的加工,成功制备出了双梯度锥形微孔形貌阵列。 经研究当滴入液滴时,液滴可自行通过膜上的锥形微孔,由于形貌具有的表面能和拉普拉斯压力,与普通的亲水膜相比试验膜在雾收集中有着209%的增强作用。 膜的制备工艺流程和锥形微孔刨面如图20(a)所示,图20(b)为液滴滴落膜表面的动态变化,可观察到液滴从疏水态到穿过膜孔的整个过程。 试验的锥形微孔阵列具有独特的吸附形态和自驱动力,可以有效的将材料表面收集到的水滴从顶部移动到底部,该试验的研究可用来设计制备高效的雾自动收集系统,具有很高的实际应用价值,在当今资源紧缺的背景下,为解决用水危机和其他工程的
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图20 工艺流程图及液滴滴落膜表面过程图[57]
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Fig.20 Process flow chart and surface process diagram of drop fulling film[57]
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应用都提供了很好的思路[58]。
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Wang等[59]利用超快激光技术在PDMS膜表面上制备出具有层次的微阵列结构,由于材料本身具有良好的柔韧性可以实现动态调整,加工后的材料通过调整外加应力的强度和方向,成功实现可控的改变表面结构的特性。 图21 为材料表面形貌,图22 为通过手指的运动从而控制表面的润湿性。 此研究对新兴的功能材料如皮肤可穿戴、机械手的水下操作、便携式执行器、超疏水智能服装等都具有极大的应用潜力。
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图21 PDMS的表面形貌[59]
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Fig.21 Surface topography of PDMS[59]
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图22 指节运动对表面润湿性的控制[59]
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Fig.22 Control of surface wettability by knuckle motion[59]
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PDMS材料因其可塑性较高,不仅可以用作脱模转印技术的介质,作为被加工材料时也具有一定的研究价值。 大多数试验研究的成果一般偏向于用在大小型器件和工程材料上。 此次试验的提出较为新颖,在作为工程材料的同时,对于更为贴近的智能穿戴服饰材料也提供了新的可行性思路,加强了激光技术加工PDMS材料的使用潜力,使其更有望能进一步被产业化。
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研究者们认为自然界中的部分生物表皮之所以具有良好的超疏水性能,是因为那些生物表皮都具有一定周期表面微纳结构,导致表面能降低。 Zuhlke等[60]在不锈钢及钛合金表面上利用超快激光加工出微纳结构,再用表面化学变化技术对材料进行化学加工,随后将材料放置在真空环境中使其吸附矿物油自发向超疏水性能演变最终达到稳定,且发现这种表面结构可以在水下维持41 日之久没有功能退化现象,如图23 为不锈钢及钛合金材料的表面结构图。
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图23 两种材料表面结构图[60]
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Fig.23 Surface structure drawings of the two materialsl[60]
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Chen等[61] 受鱼鳞和荷叶的启发,利用超快激光对硅和PDMS材料进行加工,经加工后的硅表面形成了排列整齐的网孔结构如图24( a) 所示,研究发现改性后的硅在空气中超疏水,放置水下则超厌气。 PDMS材料表面形貌则呈现出突起的肿块排列如图24( b)所示,与硅不同PDMS材料经加工后在空气中表现为超疏水,水下则超亲气,实现了材料各向异性的性能转化。
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图24 硅和PDMS的表面形貌[61]
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Fig.24 Surface morphologies of silicon and PDMS[61]
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参考自然界生物表皮的结构,加工仿生表面可以使材料展现出与生物表皮类似的性能,或提高原有性能,无论是对能源的有效利用还是智能产品的开发都起着重要作用。 通过激光处理材料在表面形成微纳结构,不会对基体材料的基本性能产生破坏,相比起一些传统工艺,超快激光除了高效,在加工和生产使用时都可减小对环境的危害,实现绿色加工。 同时,无论是提高自然资源的利用率还是多功能材料的制备,对于表面性能的持久性研究也是一个重点方向。 目前,还有很多仿生功能待实现,设计一套可达到功能及寿命为一体的试验方案是研究者追求的目标。
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4.2 激光加工生物医学材料表面
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超快激光在生物医学工程领域可实现精细繁琐的表面结构加工,可以极大程度为植入生物材料、移植器官等生物医学技术提供特殊的应用需要,生物相容性是技术里最基本的要求。 生物医学材料在植入人体与细胞接触时,细胞必须先能良好的粘附在材料表面上,然后才能有后续的迁移、伸展、分化等生长模式[62]。 生物医学材料的表面微结构优劣直接影响着材料的性能,所以在材料表面加工微纳结构用以改善材料的相容性成为研究的一项重要分支[63]。
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Zhang等[64] 利用超快激光在钛合金表面成功制备出微坑阵列,随后通过化学多重酸蚀在原有的微纳结构上制备出了复合微纳结构,通过SEM观测到其形貌呈山脊形,并且伴有着纳米孔集群,如图25 所示。 结果表明:经加工处理后具有微纳结构的表面更有利于细胞的黏附和迁移,同时增加了细胞活性,从而起到了提升材料与植入体之间的生物相容性。 Cunha等[65] 则通过改变超快激光的能流密度在钛合金表面获得了微纳结构,试验分析得出了与Zhang同样的结论。针对钛合金生物医学材料,Bai等[66]采用SLM技术对材料的密度、表面结构及性能进行了研究,发现一般条件下密度与激光功率成正比,且表面形貌呈现如图26( a) 所示的典型胞状晶粒微纳结构,后来的研究者也研究了此类典型形貌的钛合金表面微纳结构,并从中观察出了如图26(b)所示的板条马氏体的形貌。
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钛合金因其具有耐腐蚀性和低密度等特点,可以用于制备高纯度的生物医学产品,但因其自
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图25 钛合金表面的纳米孔集群[64]
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Fig.25 Nanopore clusters on the surface of titanium alloy[64]
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图26 典型胞状晶粒微纳结构及马氏体形貌[66]
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Fig.26 Microstructure and martensite morphology of typical cellular grains[66]
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身的生物相容性不足以进行良好的种植体的组织转移等,容易产生应力屏蔽现象甚至排斥现象,就如何提高钛合金材料的生物相容性迫在眉睫,以上研究者们的试验有力的证实了在材料表面加工出微纳结构可以有效的改善钛合金的生物相容性,促进细胞高效的吸附在植入体表面,更有利于细胞后期的分化生长,对于钛合金颅骨多孔假体、牙托、个性化骨板等均有极大的应用价值。 其中,SLM技术目前正在开展多材料手工制作、材料缩减混合制造以及设备的负反馈系统研制,以激光为能量源的SLM技术必将成为激光加工表面结构的重要方向之一。
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Nakamura等[67]利用超快激光在聚苯乙烯表面上制备出了微纳结构,使得表面能比原材料提升了1.5 倍,很大程度上提升了细胞的黏附性,使细胞的迁移及伸展得到了改善,为利用超快激光提高生物相容性提供了突破口和可行依据。
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Mcdaniel等[68] 利用激光在不锈钢材料表面制备出了两种形貌不同的微纳结构,并研究对比了两种结构对细胞黏附性的影响,发现不同种类的细胞会针对不同的表面结构产生相对的黏附性,且发现表面微纳结构会降低血细胞的黏附性从而达到不易凝血的效果,最终对血管支架的血液相容性起到极大的改善作用,可广泛的应用于搭桥及各类动脉硬化引起的疾病。
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仿生显微血管模型可利于发展血管支架治疗技术,Gallab等[69] 利用超快激光和掩模混合曝光三维法建立了便于溶液注入的微米级毛细血管模型,并将研究结果与传统制备结果切片处理,通过光学显微镜对横截面进行了对比,发现表面圆度得到了明显的改善,如图27 所示,且这种三维结构可通过改变激光参数来提高表面精度。
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图27 横截面位置及圆弧度表示[69]
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Fig.27 Cross section position and arc degree[69]
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Shuai等[70]利用超快激光加工多孔磷酸三钙β-TCP生物陶瓷支架,采取改变激光扫描速度的方式对材料进行性能分析,加工出的表面如图28所示。 发现扫描速度降低时材料的力学性能相对升高,当速度为150 mm/min时韧度达到最大,进一步降低速度时,力学性能逐步下降。 随后用MG63 成骨样细胞和干细胞测试了这些支架的生物相容性,得出所制备的支架均适合细胞的附着和分化生长,且得出表面结构的颗粒尺寸越小,细胞的生物相容性越好的结论。 Shuai的试验为材料性能偏差与加工参数设定之间的匹配给定了一个可供参考的零界,与大部分试验相比,通过改变扫描速度进行加工的手法也比较简单,为进一步制备高性能的多孔生物陶瓷支架材料的工艺优化提供了重要指导。
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激光处理表面技术作为一种精密的微制造技术,可以实现材料表面的改性对细胞的运动进行调控,从而促进细胞对材料的附着力达到生物相容性的提升,这对人类身体的修复治疗和医学材料的移植都起着重要的作用。 现如今研究者们的试验证明了利用激光在材料表面进行微纳
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图28 激光作用后的 β-TCP生物陶瓷支架[70]
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Fig.28 β-TCP bioceramics scaffold after laser action[70]
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结构的加工是实现细胞活性控制并解决生物相容性的一把利刃,集可行性和稳定性于一身,对生物医学领域的贡献和进步是不可忽视的。 发展至今虽已有了很大的进展,但表面结构的不同对细胞的直接影响是个较为庞杂的过程,很多原理暂时只停留在理想状态的情况下,其实际状态的表现还需要进一步拓展大量的体外、体内试验进行对此支撑。
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5 总结
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综上所述,利用超快激光制备材料表面结构的技术是当今制造业热点研究的方向之一。 与传统的微加工技术相比,超快激光更利于制备出复杂精细的表面结构,近年来,应用这种特殊的表面结构改善材料的性能从而获得不同种类的功能性材料,为开发新材料注入了新的活力,而超快激光作为新前沿技术发展至今仍然存在一些问题。
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(1)目前对超快激光加工材料表面结构的研究理论并不完整。 建立一套较为完善的体系用来解释说明材料表面微纳结构形成的机理还有待发展。 因此,应该将试验研究与理论分析相结合,利用已证明的理论支撑和设计试验,同时在试验过程中应当对内容进行提炼升华,对现有理论进行证实或补充。
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(2)随着科技的迅速发展,只具备一种特性的材料很多时候已经不能够应对现实应用的需要,实现材料的各向异性,制备出多功能性的材料表面达到一材多用是目前研究的突破口,过去的多数研究更习惯选择利用超快激光制备材料表面使其表现出一种性能,如超疏水、超光学吸收等,目前虽已有研究者开始致力于制备含有多种性能的材料,但大多只停留在试验室中,将其产业化和大量开发还需要一定时间,今后的研究应以制备出具有多功能性的表面微纳结构为目标,并将其与实际应用相结合达到可被产业化的目的。
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(3)利用超快激光改性材料表面已证明了其可行性,并成功得到了许多可用的功能性表面材料,对于如何维持和保护功能的不退化也是一个重要研究方向。 持久性和稳定性可以支撑材料在不同环境下保持其原有功能的不退化,例如可以制备出更加耐高温、耐腐蚀等表面结构,使材料即使在极端环境下也可正常使用。
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(4)超快激光发展到现在还有一些难以突破的问题,就是加工效率和参数的精准控制。 虽然已有很多研究者通过试验对参数的选择提供了优化后的结果,但对于新功能开发或新材料制备这些参数有可能会达不到预期的结果,这方面就要结合材料的破坏阈值,破坏阈值在一定程度上可以对激光参数进行范围的预测,这就需要对激光加工的预测理论模型进行更全面的分析,建立一套完整正确的激光加工系统仿真模型对参数和加工效率有着极大的推动作用,若可开发一套完整的理论模型对表面微纳结构的质量也会有保障。
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(5)超快激光几乎可以加工任何材料,对于功能性表面的制备可以试着拓展其材料的选择范围,以备在迅速发展的大环境下,面对层见迭出的新材料也能提出一套科学的加工方案。 对常作为加工工具的硬质材料,提高其表面性能以实现更高精度的精密加工也需要投入大量研究。
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(6)超快激光制备材料表面结构技术有待被大量推广到实际工业生产的领域中,以便其更好的推进国防装备、船舶运输、医学生物等高端制造领域,更好的推进我国整体国力的发展。
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(7)仿生材料在目前的研究阶段已有了较大的进展,但目前还有许多仿生功能只停留在理论条件下,未能证明其可以被具体化实现,仿生功能材料的应用领域非常广泛,在未来的研究中可以更多的将激光制备仿生表面技术与物理化学等方法相结合起来进行复合加工,更大程度促进仿生结构表面的发展。
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(8)在生物医学领域,利用超快激光技术可以进行微细加工,以较高的精度实现表面微纳结构的制备,达到促进生物相容性的作用。 目前的技术还未能做到细胞的迁移动态运动,这在试验中一定程度上会对模拟的过程产生影响,未来的研究过程中可多将激光与电化学方法相结合使用,这是一个用来制备材料表面结构实现细胞的动态行为观测的相对比较有效的方法。
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参考文献
-
[1] DAUSINGER F,LICHTNER F.Femtosecond technology for technical and medical applications[M].Springer Science & Business Media,2004:75-116.
-
[2] BISWAS S,KARTHIKEYAN A,KIETZIG A M.Effect of repetition rate on femtosecond laser-induced homogenous microstructures[J].Materials,2016,9(12):1023-1038.
-
[3] BONSE J,HOHM S,ROSENFELD A,et al.Sub-100 nm laser-induced periodic surface structures upon irradiation of titanium by Ti:Sapphire femtosecond laser pulses in air[J].Applied Physics A,2013,110(3):547-551.
-
[4] AKHMANOV S A,VYSLOUKH V A,CHIRKIN A S.Optics of femtosecond laser pulses[J].Moscow Izdatel Nauka,1992.
-
[5] YANG L,WEN M,CHEN J,et al.TiMoN nano-grains embedded into thin MoSx-based amorphous matrix:A novel structure for superhardness and ultra-low wear[J].Applied Surface Science,2018,462(21):127-133.
-
[6] CAPPELLI E,ORLANDO S,SCITI D,et al.Ceramic surface modifications induced by pulsed laser treatment [J].Applied Surface Science,2000,154-155:682-688.
-
[7] ZHANG C,YAO J,LAN S,et al.Effects of plasma confinement on the femtosecond laser ablation of silicon[J].Optics Communications,2013,308:54-63.
-
[8] LIU X,DU D,MOUROU G.Laser ablation and micromachining with ultrashort laser pulses[J].IEEE Journal of Quantum Electronics,1997,33(10):1706-1716.
-
[9] YANG Y,YANG J,XUE L,et al.Surface patterning on periodicity of femtosecond laser-induced ripples [J].Applied Physics Letters,2010,97(14):3688-3692.
-
[10] PECHOLT B,VENDAN M,DONG Y Y,et al.Ultrafast laser micromachining of 3C-SiC thin films for MEMS device fabrication[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2008,39(3-4):239-250.
-
[11] JESCHKE H O,GARCIA M E,BENNEMANN K H.Theory for the ultrafast ablation of graphite films[J].Physical Review Letters,2001,87(1):1-4.
-
[12] 马云程.飞秒激光湿法刻蚀硅基微纳结构[D].吉林:吉林大学,2016.MA Y C.Silicon-based micro-nanostructures fabricated by femtosecond laser and wet etching[D].Jilin:Jilin University,2016(in Chinese).
-
[13] RETTHFELD B,KAISSER A,VICANEK M,et al.Ultrafast dynamics of nonequilibrium electrons in metals under femtosecond laser irradiation[J].Physical Review B,2002,65(21):1-11.
-
[14] 谭旭东.表面功能性微纳复合结构的飞秒激光加工[D].北京:北京理工大学,2016.TAN X D.Functional surface fabrication of micro/nanostructures by femtosecond laser[D].Beijing:Beijing Institute of Technology,2016(in Chinese).
-
[15] QIU T Q,TIIEN C L.Heat transfer mechanisms during short pulse laser heating of metals[J].Journal of Heat Transfer,1993,115(4):835-841.
-
[16] ANISIMOV S I,KAPELIOVICH B L,PERELMAN T L.Electron emission from metal surfaces exposed to ultrashort laser pulses [J].Zh.Eksp.Teor.Fiz,1974,66(2):375-377.
-
[17] KOTAKE S,KUROKI M.Molecular dynamics study of solid melting and vaporization by laser irradiation[J].International Journal of Heat & Mass Transfer,1993,36(8):2061-2067.
-
[18] JIANG L,TSAI H L.Prediction of crater shape in femtosecond laser ablation of dielectrics[J].Journal of Physics D:Applied Physics,2004,37(10):1492-1498.
-
[19] NEDIALKOV N N,IMAMOVA S E,ATANASOV P A.Ablation of metals by ultrashort laser pulses [J].Journal of Physics D:Applied Physics,2004,37(4):638-643.
-
[20] POSTHUMUS J H.The dynamics of small molecules in intense laser fields[J].Reports on Progress in Physics,2004,67(5):623-665.
-
[21] BULGAKOVA N M,BURAKOV I M,MESHCHERYAKOV Y P,et al.Theoretical models and qualitative interpretations of fs laser material processing [J].Journal of Laser Micro/Nanoengineering,2007,2(1):76-86.
-
[22] SUGIOKA K,CHENG Y.Ultrafast laser processing:From micro to nanoscale [ M ].Singapore:Pan Stanford Pub,2013.
-
[23] MAINFRAY G,MANUS C.Multiphoton ionization of atoms[J].Reports on Progress in Physics,1991,54(10):1333-1382.
-
[24] KAISER A,RETHFELD B,VICANEK M,et al.Microscopic processes in dielectrics under irradiation by subpicosecond laser pulses [J].Physical Review B,2000,61(17):11437-11450.
-
[25] DOCCHIO F,REGONDI P,Capon M R C,et al.Study of the temporal and spatial dynamics of plasmas induced in liquids by nanosecond Nd:YAG laser pulses.1:Analysis of the plasma starting times [J].Applied Optics,1988,27(17):3661-3668.
-
[26] BIRNBAUM M.Semiconductor surface damage produced by ruby lasers[J].Journal of Applied Physics,1965,36(11):3688-3689.
-
[27] LIU Y,LIU S,WANG Y,et al.Broad band enhanced infrared light absorption of a femtosecond laser microstructured silicon[J].Laser Physics,2008,18(10):1148-1152.
-
[28] HER T H,FINLAY R J,WU C,et al.Microstructuring of silicon with femtosecond laser pulses [J].Applied Physics Letters,1998,73(12):1673-1675.
-
[29] 吴文威,徐嘉明,陈宏彦.“黑硅”表面特殊锥状尖峰结构的制备及其光学模型仿真[J].中国激光,2011,38(6):246-250.WU W W,XU J M,CHEN H Y.Simulation of optical model base on micro-cones structure of “black silicon”[J].Chinese Journal of Lasers,2011,38(6):246-250(in Chinese).
-
[30] WU C,CROUCH C H,ZHAO L,et al.Near-unity belowband-gap absorption by microstructured silicon[J].Applied Physics Letters,2001,78(13):1850-1852.
-
[31] BALDACCHINI T,CAREY J E,ZHOU M,et al.Superhydrophobic surfaces prepared by microstructuring of silicon using a femtosecond laser[J].Langmuir,2006,22(11):4917-4919.
-
[32] ZORBA V,STRATAKIS E,BARBEROGLOU M,et al.Biomimetic artificial surfaces quantitatively reproduce the water repellency of a lotus leaf[J].Advanced Materials,2008,20(21):4049-4054.
-
[33] BALDACCHINI T,JAMES E C,ZHOU M,et al.Superthydrophobic surfaces prepared by microstructuring of silicon using a femtosecondlaser[J].Langmuir,2006,22:4917-4919.
-
[34] CHEN F,ZHANG D,YANG Q,et al.Anisotropic wetting on microstrips surface fabricated by femtosecond laser [J].Langmuir,2011,27(1):359-365.
-
[35] KIETZIG A M,HATZIKIRIAKOS S G,ENGLEZOS P.Patterned superhydrophobic metallic surfaces [J].Langmuir,2009,25(8):4821-4827.
-
[36] GOOD R J.A thermodynamic derivation of Wenzel's modification of Young's equation for contact angles;together with a theory of hysteresis1[J].Journal of the American Chemical Society,1952,74(20):5041-5042.
-
[37] WENZEL R N.Resistance of solid surfaces to wetting by water[J].Industrial & Engineering chemistry,1936,28(8):988-994.
-
[38] WANG J,GUO C.Ultrafast dynamics of femtosecond laserinduced periodic surface pattern formation on metals [J].Applied Physics Letters,2005,87(25):1-7.
-
[39] 成立,郭旭红.无织构刀具与织构刀具铣削性能对比研究[J].工艺与制造,2019,18(11):89-93.CHENG L,GUO X H.A comparative study of the milling performance of untextured cutters and tetured cutters[J].Techology and Manufacture,2019,18(11):89-93(in Chinese).
-
[40] 王瑞,周延民.飞秒激光改变钛合金表面形貌对生物相容性的影响[J].口腔医学研究,2013,29(6):497-500.WANG R,ZHOU Y M.Compatibility of titanium alloy surface morphology changed by femtosecond laser[J].Journal of Oral Science Research,2013,29(6):497-500(in Chinese).
-
[41] ROTELLA G,ORAZI L,ALFANO M,et al.Innovative high-speed femtosecond laser nano-patterning for improved adhesive bonding of Ti6Al4V titanium alloy[J].CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology,2017,18(2):101-106.
-
[42] WANG X,ADACHI K,OTSUKA K,et al.Optimization of the surface texture for silicon carbide sliding in water [J].Applied Surface Science,2006,253(3):1282-1286.
-
[43] SUGIHARA T,ENOMOTO T.Performance of cutting tools with dimple textured surfaces:A comparative study of different texture patterns [J].Precision Engineering,2017,49(17):52-60.
-
[44] SUGIHARA T,NISHIMOTO Y,ENOMOTO T.Development of a novel cubic boron nitride cutting tool with a textured flank face for high-speed machining of Inconel 718[J].Precision Engineering,2017,48(16):75-82.
-
[45] 陈中培.飞秒激光制备YG6硬质合金微织构表面浸润性机理研究[D].湖北:湖北工业大学,2019.CHEN Z P.Surface wettability research of micro-tenured YG6 cemented carbide processed by femtosecond laser[D].Hubei:Hubei University of Technology,2019(in Chinese).
-
[46] HAO X,CUI W,LI L,et al.Cutting performance of textured polycrystalline diamond tools with composite lyophilic/lyophobic wettabilities[J].Journal of Materials Processing Technology,2018,260(18):1-8.
-
[47] WANG J N,SHAO R Q,ZHANG Y L,et al.Biomimetic graphene surfaces with superhydrophobicity and iridescence [J].Chemistry-An Asian Journal,2012,7(2):301-304.
-
[48] LONG J,FAN P,GONG D,et al.Superhydrophobic surfaces fabricated by femtosecond laser with tunable water adhesion:From lotus leaf to rose petal[J].ACS Applied Materials & Interfaces,2015,7(18):9858-9865.
-
[49] SONG Y,WANG C,DONG X,et al.Controllable superhydrophobic aluminum surfaces with tunable adhesion fabricated by femtosecond laser[J].Optics & Laser Technology,2018,102(16):25-31.
-
[50] ZHANG C Y,YAO J W,LIU H Y,et al.Colorizing silicon surface with regular nanohole arrays induced by femtosecond laser pulses[J].Optics Letters,2012,37(6):1106-1108.
-
[51] HAN J,CAI M,Lin Y,et al.3D re-entrant nanograss on microcones for durable superamphiphobic surfaces via laserchemical hybrid method[J].Applied Surface Science,2018(18),456:726-736.
-
[52] TAYLOR R,HNATOVSKY C,SIMOVA E.Applications of femtosecond laser induced self-organized planar nanocracks inside fused silica glass [J].Laser & Photonics Reviews,2010,2(1-2):26-46.
-
[53] YONG J,CHEN F,LI M,et al.Remarkably simple achievement of superhydrophobicity,superhydrophilicity,underwater superoleophobicity,underwater superoleophilicity,underwater superaerophobicity,and underwater superaerophilicity on femtosecond laser ablated PDMS surface[J].Journal of Materials Chemistry A,2017,11(5):49-57.
-
[54] HU Y,LI G,CAI J,et al.Facile fabrication of functional PDMS surfaces with tunable wettablity and high adhesive force via femtosecond laser textured templating[J].AIP Advances,2014,4(12):1-9.
-
[55] JIANG D,FAN P,GONG D,et al.High-temperature imprinting and superhydrophobicity of micro/nano surface structures on metals using molds fabricated by ultrafast laser ablation[J].Journal of materials processing technology,2016,236(24):56-63.
-
[56] PARKER A R,LAWRENCE C R.Water capture by a desert beetle[J].Nature,2001,414(6859):33-34.
-
[57] REN F,LI G,ZHANG Z,et al.A single-layer Janus membrane with dual gradient conical micropore arrays for selfdriving fog collection[J].Journal of Materials Chemistry A,2017,5(35):18403-18408.
-
[58] LI G,FAN H,REN F,et al.Multifunctional ultrathin aluminum foil:oil/water separation and particle filtration[J].Journal of Materials Chemistry A,2016,4(48):18832-18840.
-
[59] WANG J N,LIU Y Q,ZHANG Y L,et al.Wearable superhydrophobic elastomer skin with switchable wettability [J].Advanced Functional Materials,2018,28(23):18006251-18006258.
-
[60] ZUHLKE C A,ANDERSON T P,LI P,et al.Superhydrophobic metallic surfaces functionalized via femtosecond laser surface processing for long term air film retention when submerged in liquid[C]//Laser-based micro-and nanoprocessing IX.International Society for Optics and Photonics,2015,9351:93510J.
-
[61] CHEN F,YONG J,FANG Y,et al.Bioinspired design of underwater superaerophobic and superaerophilic surfaces by femtosecond laser ablation for anti-or capturing bubbles[J].ACS Applied Materials & Interfaces,2017,9(45):39863-39871.
-
[62] 杨恬,易静,陈誉华,等.医学细胞生物学:基础、进展和趋势[M].北京:人民卫生出版社,2011.YANG T,YI J,CHEN Y H,et al.Medical cell biology:Foundation,progress and trend[M].Beijing:People's Medi-cal Publishing House,2011(in Chinese).
-
[63] 彭荣.高分子表面微图案技术研究干细胞形状、尺寸和密度对其分化的影响[D].上海:复旦大学,2012.PENG R.Effects of cell shape,spreading size and cell density on differentiation of stem cells on micropatterned surfaces of a polymeric hydrogel[D].Shanghai:Fudan University,2012(in Chinese).
-
[64] ZHANG R,YI W A N,XING A I,et al.Preparation of micro-nanostructure on titanium implants and its bioactivity [J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2016,26(4):1019-1024.
-
[65] CUNHA A,ZOUANI O F,PLAWINSKI L,et al.Human mesenchymal stem cell behavior on femtosecond laser-textured Ti-6Al-4V surfaces [J].Nanomedicine,2015,10(5):725-739.
-
[66] BAI Y,FU F,XIAO Z,et al.Progress in selective laser melting equipment,related biomedical metallic materials and applications[J].Journal of Zhejiang University-Science A,2018,19(2):122-136.
-
[67] NAKAMURA K,KEATING J H,EDELMAN E R.Pathology of endovascular stents[J].Interventional Cardiology Clinics,2016,5(3):391-403.
-
[68] MCDANIEL C,GLADKOVSKAYA O,Flanagan A,et al.In vitro study on the response of RAW264.7 and MS-5 fibroblast cells on laser-induced periodic surface structures for stainless steel alloys [J].RSC Advances,2015,5(53):42548-42558.
-
[69] GALLAB M,TOMITA K,OMATA S,et al.Fabrication of 3D capillary vessel models with circulatory connection ports [J].Micromachines,2018,9(3):101-115.
-
[70] SHUAI C,FENG P,ZHANG L,et al.Correlation between properties and microstructure of laser sintered porous β-tricalcium phosphate bone scaffolds[J].Science and Technology of Advanced Materials,2016,14(5):1-11.
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摘要
超快激光具有脉冲宽度短、峰值功率高的特点,相对于长脉冲对材料造成的热影响几乎为零,这使得利用超快激光加工材料逐渐受到科学界的重视。 文中综述了超快激光辐照材料表面产生微纳结构的机理,总结了超快激光制备材料表面微纳结构的主要特点以及特殊性能的表现,针对超快激光加工不同种材料和采取不同种加工工艺两个方面进行论述,对材料表面结构的形貌形成、展现的性能及研究结论加以说明,并对各个工艺的优缺进行了讨论。 最后对超快激光制备仿生功能表面和生物医学材料表面等最新发展趋势进行了总结,并对超快激光制备材料表面微纳结构在未来研究发展中会遇到的问题进行了展望。
Abstract
Ultrafast laser has the characteristics of short pulse width and high peak power. Compared with the long pulse, the thermal effect on the material is almost zero, which makes the use of ultrafast laser processing materials gradually paid attention to by the scientific community. This article reviews the mechanism of micro-nano structures produced on the surface of ultra-fast laser irradiation materials, and summarizes the main characteristics and performance of micro-nano structures on the surface of ultra-fast laser prepared materials. The two aspects of the processing technology are discussed, the formation of the surface structure of the material, the performance and the research conclusion are explained, and the advantages and disadvantages of each process are discussed. Finally, the latest development trends of ultrafast laser preparation of biomimetic functional surface and biomedical material surface are summarized, and the problems encountered in the future research and development of ultrafast laser preparation material surface micro-nano structure are prospected.
