ACS NANO：利用纳秒激光织构加工技术来获得优越力学性能和化学性能的超疏水铝合金

【引言】

铝合金被广泛应用于许多领域，如汽车工业、造船、航空航天、建筑和医学。 在大多数情况下，这些领域要求铝合金表面具有一些特殊性能。应用在医疗领域和海洋领域中时，铝合金需同时具备高耐腐蚀性、高绝缘性、良好的防污性能、优良的耐磨损性能和防水性能。而应用到航空领域和太空领域，铝合金的耐寒性能、耐磨损和疏水性能则成为了关键性能。最近，使铝合金表面获得超疏水性能的表面处理技术引起了广泛的关注。该技术解决了铝合金性能上的一些缺点，同时赋予了铝合金表面多功能的特性，但是超疏水涂层在获得良好的抗机械载荷和抗化学冲击方面还是遇到了很多尚未解决的问题。本文以铝镁合金为基体材料，通过功能性纳米工程和纳秒激光织构加工技术制备了具有优良力学性能和化学性能超疏水铝合金，为其他材料的疏水涂层的设计提供了可借鉴的研究思路。

【成果简介】

近日，来自俄罗斯的A. N. Frumkin物理化学与电化学研究院的Ludmila B. Boinovich（第一作者兼通讯作者）在ACS NANO上发表了一篇名为“Combination of Functional Nanoengineering and Nanosecond Laser Texturing for Design of Superhydrophobic Aluminum Alloy with Exceptional Mechanical and Chemical Properties”的文章。研究人员以铝镁合金为基体材料，通过1次激光处理（single-pass laser treatment，记为SPLT）和10次激光处理（intensive laser treatment，记为ILT）得到不同的表面织构，并借助SEM、EDX、TEM等分析手段对表面织构进行了形貌、组织和元素分析。接着在SPLT样品和ILT样品上镀一层氟氧基硅烷分别制备成SPLT超疏水样品和ILT超疏水样品，并对其进行了电化学实验、冷热循环实验以及振动砂磨试实验以量样品的抗腐蚀能力、抗热冲击应力，耐磨性能和疏水性能。

【图文导读】

图1：激光处理后的样品的SEM图

（a）1次激光处理后的样品的SEM图；

（b）10次激光处理后的样品的SEM图。

图2：ILT样品和SPLT样品的元素（相）分布EDX图

（a）ILT样品的元素（相）分布EDX图；

（b）SPLT样品的元素（相）分布EDX图。粗白色箭头表示初始的垂直位置样品表面; h1和h2是重新沉积的材料高于初始表面水平的高度和相对于初始表面凹槽的深度；黄色对应于含氧层；

（c-d）分别为（b）和（a）中分别用灰色矩形标记的字母“t”的顶部区域的经过聚焦离子束（FIB）切割后的断面的SEM图。

图3：SPLT样品和ILT样品的氧化层截面的TEM图以及特定点的EDX光谱

（a）SPLT样品的氧化层截面的TEM图；

（b）ILT样品的氧化层截面的TEM图；标记（十字）为EDX光谱采集点；

（c-d）分别是（a）和（b）中特定点的EDX光谱。

图4：ILT样品的STEM图和EDX分析

（a）左侧箭头标记的区域制备的ILT样品的STEM图；图（a）中的周期性多孔层是在循环再沉积过程中形成；

（b）（a）图中点1和2的EDX光谱。

图5：ILT样品的氧化层结构的HRTEM图像和相应区域的傅里叶图

（a）氧化层结构的HRTEM图像；

（b-c）为图（a）中b区域和c区域的傅立叶图；傅立叶图结果表明选定区域中存在不同的取向AlON（γ-Al2O3）纳米晶体。

图6：接触角和表面张力随浸泡时间的变化

（a）和（b）分别表示样品在接触3mol/L KCl水溶液后液滴的接触角和表面张力的演变；1为镀有氟氧基硅烷层的SPLT样品；2为镀有氟氧基硅烷层的ILT样品；3为参比样品（在抛光后的铝镁合金样品上吸附上一层氟氧基硅烷）。

图7：不同样品浸泡在3mol/L的KCl溶液10天/30天后的极化曲线

（1）SPLT超疏水样品（镀有氟氧基硅烷层）；

（2）ILT超疏水样品（镀有氟氧基硅烷层）；

（3）光滑的疏水样品（镀有氟氧基硅烷层）；

（4）光滑的未处理的样品；

（2′）ILT超疏水样品浸泡在3mol/L的KCl溶液30天后的极化曲线。

图8：图2（a）中t区域的EDX元素分析

氟元素的分布表明疏水试剂已深深渗透进孔中；氮元素分布表明样品表层富含氮氧化铝。

图9：滚动角和接触角随循环次数和浸泡时间的演变

一次循环：在液氮（T=-196℃）浸泡15min，再在温水中（T=25℃）浸泡15min；红色符号代表ILT超疏水样品、蓝色符号代表SPLT超疏水样品；三角符号代表样品在液氮中浸泡780min和3700min的滚动角和接触角的值。

图10：在振动砂磨试验中，滚动角和接触角随着磨损时间变化曲线

（1）和（1′）代表SPLT超疏水样品 （2）和（2′）代表ILT超疏水样品

（3）和（3′）代表疏水样品（表面织构由阳极氧化得到并镀有氟氧基硅烷层）

（4）和（4′）代表疏水样品（表面织构由化学蚀刻得到镀有氟氧基硅烷层）

【小结】

本文通过一系列实验证明了功能性纳米工程和合适的纳秒激光织构加工工艺可以用来制造具有优异力学性能和化学性能超疏水材料。通过对SPLT样品和ILT样品表面形貌、元素分析和微观组织结构的对比分析以及SPLT超疏水样品、ILT超疏水样品和参比超疏水样品的抗腐蚀性能、抗热冲击应力性能、耐磨性能和疏水性能之间的对比，发现激光处理中所形成的铝氮氧化物、γ--Al2O3和表面所形成的形貌对样品的性能有重大影响。

文献链接：Combination of Functional Nanoengineering and Nanosecond Laser Texturing for Design of Superhydrophobic Aluminum Alloy with Exceptional Mechanical and Chemical Properties（ACS NANO, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b04634）

本文由材料人编辑部新人组刘冠华编译，陈炳旭审核，点我加入材料人编辑部。

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