ACS NANO：利用納秒激光織構加工技術來獲得優越力學性能和化學性能的超疏水鋁合金

【引言】

鋁合金被廣泛應用于許多領域，如汽車工業、造船、航空航天、建筑和醫學。 在大多數情況下，這些領域要求鋁合金表面具有一些特殊性能。應用在醫療領域和海洋領域中時，鋁合金需同時具備高耐腐蝕性、高絕緣性、良好的防污性能、優良的耐磨損性能和防水性能。而應用到航空領域和太空領域，鋁合金的耐寒性能、耐磨損和疏水性能則成為了關鍵性能。最近，使鋁合金表面獲得超疏水性能的表面處理技術引起了廣泛的關注。該技術解決了鋁合金性能上的一些缺點，同時賦予了鋁合金表面多功能的特性，但是超疏水涂層在獲得良好的抗機械載荷和抗化學沖擊方面還是遇到了很多尚未解決的問題。本文以鋁鎂合金為基體材料，通過功能性納米工程和納秒激光織構加工技術制備了具有優良力學性能和化學性能超疏水鋁合金，為其他材料的疏水涂層的設計提供了可借鑒的研究思路。

【成果簡介】

近日，來自俄羅斯的A. N. Frumkin物理化學與電化學研究院的Ludmila B. Boinovich（第一作者兼通訊作者）在ACS NANO上發表了一篇名為“Combination of Functional Nanoengineering and Nanosecond Laser Texturing for Design of Superhydrophobic Aluminum Alloy with Exceptional Mechanical and Chemical Properties”的文章。研究人員以鋁鎂合金為基體材料，通過1次激光處理（single-pass laser treatment，記為SPLT）和10次激光處理（intensive laser treatment，記為ILT）得到不同的表面織構，并借助SEM、EDX、TEM等分析手段對表面織構進行了形貌、組織和元素分析。接著在SPLT樣品和ILT樣品上鍍一層氟氧基硅烷分別制備成SPLT超疏水樣品和ILT超疏水樣品，并對其進行了電化學實驗、冷熱循環實驗以及振動砂磨試實驗以量樣品的抗腐蝕能力、抗熱沖擊應力，耐磨性能和疏水性能。

【圖文導讀】

圖1：激光處理后的樣品的SEM圖

（a）1次激光處理后的樣品的SEM圖；

（b）10次激光處理后的樣品的SEM圖。

圖2：ILT樣品和SPLT樣品的元素（相）分布EDX圖

（a）ILT樣品的元素（相）分布EDX圖；

（b）SPLT樣品的元素（相）分布EDX圖。粗白色箭頭表示初始的垂直位置樣品表面; h1和h2是重新沉積的材料高于初始表面水平的高度和相對于初始表面凹槽的深度；黃色對應于含氧層；

（c-d）分別為（b）和（a）中分別用灰色矩形標記的字母“t”的頂部區域的經過聚焦離子束（FIB）切割后的斷面的SEM圖。

圖3：SPLT樣品和ILT樣品的氧化層截面的TEM圖以及特定點的EDX光譜

（a）SPLT樣品的氧化層截面的TEM圖；

（b）ILT樣品的氧化層截面的TEM圖；標記（十字）為EDX光譜采集點；

（c-d）分別是（a）和（b）中特定點的EDX光譜。

圖4：ILT樣品的STEM圖和EDX分析

（a）左側箭頭標記的區域制備的ILT樣品的STEM圖；圖（a）中的周期性多孔層是在循環再沉積過程中形成；

（b）（a）圖中點1和2的EDX光譜。

圖5：ILT樣品的氧化層結構的HRTEM圖像和相應區域的傅里葉圖

（a）氧化層結構的HRTEM圖像；

（b-c）為圖（a）中b區域和c區域的傅立葉圖；傅立葉圖結果表明選定區域中存在不同的取向AlON（γ-Al2O3）納米晶體。

圖6：接觸角和表面張力隨浸泡時間的變化

（a）和（b）分別表示樣品在接觸3mol/L KCl水溶液后液滴的接觸角和表面張力的演變；1為鍍有氟氧基硅烷層的SPLT樣品；2為鍍有氟氧基硅烷層的ILT樣品；3為參比樣品（在拋光后的鋁鎂合金樣品上吸附上一層氟氧基硅烷）。

圖7：不同樣品浸泡在3mol/L的KCl溶液10天/30天后的極化曲線

（1）SPLT超疏水樣品（鍍有氟氧基硅烷層）；

（2）ILT超疏水樣品（鍍有氟氧基硅烷層）；

（3）光滑的疏水樣品（鍍有氟氧基硅烷層）；

（4）光滑的未處理的樣品；

（2′）ILT超疏水樣品浸泡在3mol/L的KCl溶液30天后的極化曲線。

圖8：圖2（a）中t區域的EDX元素分析

氟元素的分布表明疏水試劑已深深滲透進孔中；氮元素分布表明樣品表層富含氮氧化鋁。

圖9：滾動角和接觸角隨循環次數和浸泡時間的演變

一次循環：在液氮（T=-196℃）浸泡15min，再在溫水中（T=25℃）浸泡15min；紅色符號代表ILT超疏水樣品、藍色符號代表SPLT超疏水樣品；三角符號代表樣品在液氮中浸泡780min和3700min的滾動角和接觸角的值。

圖10：在振動砂磨試驗中，滾動角和接觸角隨著磨損時間變化曲線

（1）和（1′）代表SPLT超疏水樣品 （2）和（2′）代表ILT超疏水樣品

（3）和（3′）代表疏水樣品（表面織構由陽極氧化得到并鍍有氟氧基硅烷層）

（4）和（4′）代表疏水樣品（表面織構由化學蝕刻得到鍍有氟氧基硅烷層）

【小結】

本文通過一系列實驗證明了功能性納米工程和合適的納秒激光織構加工工藝可以用來制造具有優異力學性能和化學性能超疏水材料。通過對SPLT樣品和ILT樣品表面形貌、元素分析和微觀組織結構的對比分析以及SPLT超疏水樣品、ILT超疏水樣品和參比超疏水樣品的抗腐蝕性能、抗熱沖擊應力性能、耐磨性能和疏水性能之間的對比，發現激光處理中所形成的鋁氮氧化物、γ--Al2O3和表面所形成的形貌對樣品的性能有重大影響。

文獻鏈接：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）

本文由材料人編輯部新人組劉冠華編譯，陳炳旭審核，點我加入材料人編輯部。

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