在铝镁合金的激光纹理处理中平衡热量与脉冲宽度：实现超疏水性同时控制磨损、结冰和腐蚀现象

《Surface and Coatings Technology》：Balancing heat and pulse width in laser texturing of Al-Mg alloy: Superhydrophobicity with wear, icing, and corrosion control

超疏水涂层制备中，纳秒激光处理脉冲宽度和基板预热温度协同调控表面形貌与化学性能，平衡抗冰、耐磨及耐腐蚀性。研究发现，较宽脉冲提升耐磨和腐蚀抵抗，但过热基板会劣化性能，适温预处理可实现多性能优化。

　　近年来，随着户外设备对防水性能和耐久性的需求日益增长，超级疏水涂层的研究变得尤为重要。这类涂层不仅需要在表面形成稳定的疏水结构，还必须具备抵抗磨损、结冰和腐蚀环境的能力。然而，目前对于在激光纹理处理过程中，基材温度和激光脉冲能量对涂层性能的影响机制尚不完全明确。因此，如何在提升涂层的耐磨性能的同时，保持其抗结冰能力，并避免出现裂纹和腐蚀问题，成为研究的关键挑战。

本研究通过使用纳秒激光处理铝镁合金，探讨了脉冲宽度（30–200纳秒）和基材预热温度（室温、85°C、240°C、360°C）对超级疏水涂层性能的影响。在激光处理后，我们通过化学键合方式在表面沉积氟硅烷单层，以进一步增强涂层的疏水特性。实验结果表明，表面形态和化学结构的变化与涂层的功能特性之间存在密切关系，包括疏水性、长期磨损和腐蚀耐受性，以及在循环结冰/除冰过程中的冰粘附能力。

通过对脉冲宽度和基材预热条件的系统研究，我们分析了这些参数对涂层性能的影响机制。研究发现，较长的脉冲宽度有助于提升涂层的耐磨性能和一般腐蚀耐受性，而过高的预热温度可能会削弱涂层的耐腐蚀能力。因此，选择适当的预热温度和脉冲宽度，可以实现对涂层性能的优化，同时为特定应用提供可行的工艺参数。

激光纹理处理作为一种重要的表面加工技术，已被广泛应用于金属和非金属材料的表面改性。这种方法可以实现从微米到纳米级别的表面结构，从而为后续沉积低表面能材料提供理想的基底。在金属材料的处理中，激光不仅可以改变表面的物理结构，还可以通过控制化学成分来实现表面的化学改性。然而，如何选择合适的激光参数和加工条件，以获得具有长期稳定性和多功能性的涂层，仍然是一个复杂的问题。

在过去的十年中，已有不少研究探讨了基材温度对激光纹理处理结果的影响。这些研究包括在高温下预热基材，以及在低温甚至低温条件下冷却基材，以观察其对表面形态、微观结构和功能性能的影响。例如，在不锈钢材料的处理中，将基材预热至约250°C，可以显著降低沟槽深度，同时影响激光诱导的周期性表面结构的形成。而在钨材料的处理中，同时进行基材预热，可以提高涂层的耐磨性能，这主要归因于微米和纳米颗粒在激光作用下的再沉积，以及这些颗粒在表面形成的扩散焊接。此外，对钛合金的处理研究表明，通过感应预热和激光纹理处理相结合，再配合水淬冷却，可以有效提升材料的微硬度、耐磨性和耐腐蚀性。

这些研究结果表明，基材温度对涂层的物理和化学特性具有重要影响。然而，早期的研究大多集中在单一功能性能的分析上，而缺乏对多方面功能特性同时影响的系统研究。因此，有必要进一步开展全面的实验研究，以更深入地理解基材温度对激光纹理处理过程中多种功能性能的影响机制。

本研究首次系统探讨了基材在激光纹理处理过程中，无论是通过高功率激光束的直接作用，还是通过在热板上预热的方式，对超级疏水涂层性能的影响。实验结果表明，提高基材温度有助于增强涂层的机械性能，如耐磨性和抗裂性，但若预热温度过高，可能会对涂层的某些功能性能产生负面影响，如降低其耐腐蚀能力。因此，在选择激光处理参数时，需要在基材温度带来的正向效应和可能的负面影响之间进行精确的权衡。

实验中使用的铝镁合金（AMg2）是一种具有优良焊接性能和良好耐腐蚀能力的材料。其主要成分包括铝（95.55%）、镁（2.9%）、锰（0.2%）、铬（0.05%）、铜（0.1%）、铁（0.4%）、硅（0.4%）、钛（0.1%）和锌（0.2%），其余为杂质（0.1%）。这种合金在多种环境中表现出良好的性能，因此成为研究超级疏水涂层的理想选择。

在实验过程中，我们对基材的预热温度和激光脉冲宽度进行了系统分析。结果表明，不同的预热温度会对涂层的表面形态产生不同的影响。例如，在较高的预热温度下，基材表面可能会出现更多的微观结构变化，这些变化有助于提高涂层的机械性能，但同时也可能对涂层的耐腐蚀能力产生不利影响。因此，选择适当的预热温度是实现涂层多功能性的关键因素。

此外，激光脉冲宽度的变化也对涂层的表面形态和性能产生显著影响。在我们的实验中，脉冲宽度从200纳秒减小到30纳秒，会导致激光能量的分布发生变化，从而影响涂层的形成过程。较长的脉冲宽度通常会带来更高的能量密度，有助于形成更稳定的表面结构，而较短的脉冲宽度则可能影响涂层的微观结构和化学特性。因此，在选择脉冲宽度时，需要综合考虑其对涂层性能的影响。

在实验中，我们还观察到基材温度对涂层的疏水性能具有重要影响。在较高温度下处理的基材，其表面可能会形成更均匀的微结构，从而提高涂层的疏水能力。然而，过高的温度可能会导致表面结构的不稳定性，进而影响涂层的长期性能。因此，选择适当的基材温度和脉冲宽度，是实现涂层稳定性和功能性的关键。

为了进一步验证这些结论，我们对涂层的表面形貌和化学组成进行了详细的分析。使用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱仪（EDX）对涂层的微观结构和化学成分进行了检测。实验结果表明，不同的预热温度和脉冲宽度会对涂层的表面形貌产生不同的影响，从而影响其功能特性。例如，在较高的预热温度下，涂层可能会表现出更均匀的表面结构，而较短的脉冲宽度则可能导致表面结构的不均匀性增加。

此外，我们还对涂层的耐磨性和耐腐蚀性进行了测试。实验结果表明，较长的脉冲宽度有助于提高涂层的耐磨性能，而较高的预热温度则可能对涂层的耐腐蚀能力产生负面影响。因此，在选择激光处理参数时，需要在提高涂层性能和避免性能下降之间进行权衡。

在研究过程中，我们还探讨了基材温度对涂层的抗结冰能力的影响。实验结果表明，较高的基材温度可以提高涂层的抗结冰性能，但过高的温度可能会导致表面结构的不稳定性，从而影响涂层的长期抗结冰能力。因此，在选择预热温度时，需要在提高抗结冰性能和避免表面结构破坏之间进行权衡。

综上所述，基材温度和激光脉冲宽度是影响超级疏水涂层性能的关键参数。通过合理选择这些参数，可以实现对涂层性能的优化，同时为特定应用提供可行的工艺方案。因此，进一步开展系统的研究，以更全面地理解这些参数对涂层性能的影响机制，对于推动超级疏水涂层在实际应用中的发展具有重要意义。