激光织构化黄铜表面超疏水性与耐腐蚀增强机制的深度解析

针对黄铜腐蚀导致的设备失效与环境污染问题，研究人员通过皮秒激光烧蚀结合150°C后热处理技术，构建了具有微/纳米结构的超疏水表面（CA达154°）。该技术通过调控激光参数（扫描速度、间距）优化表面形貌，显著提升耐腐蚀性（经PDP、EIS、NSS验证），其空气膜阻隔电解质渗透的机制为无化学涂层防护提供了新策略。

　　

黄铜因其优异的导电性和导热性广泛应用于电子元件和工业设备，但其在潮湿或污染环境中易发生腐蚀，导致铜锌氧化物保护层破坏，引发设备故障。传统防护方法如化学涂层和溶胶-凝胶工艺存在成本高、污染大或效率低等问题。激光烧蚀技术因其高精度、环保特性成为研究热点，但激光诱导超疏水表面的长期耐久性及结构-功能关系尚不明确，尤其在海洋等动态腐蚀环境中应用受限。

为解决这一难题，山东某研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表研究，提出皮秒激光烧蚀联合后热处理（150°C/12 h）的新方法。通过激光共聚焦显微镜分析表面形貌（Sdr、反射率），结合SEM观察微/纳米结构，发现50μm扫描间距和100mm/s速度下可获得最佳超疏水性（CA=154°）。电化学测试（PDP、EIS）和NSS实验证实，处理后表面因空气膜阻隔电解质渗透，腐蚀电流密度降低两个数量级，阻抗值提升三个数量级。

主要技术方法

1. 激光参数优化：采用皮秒激光（波长1064 nm，脉冲宽度10 ps）以不同扫描速度（50-500 mm/s）和间距（50-200μm）处理黄铜表面；
2. 后热处理：150°C加热12小时加速疏水转化；
3. 形貌表征：激光共聚焦显微镜量化表面粗糙度（Sdr），SEM观察微/纳米结构；
4. 性能评估：接触角测量仪分析润湿性，电化学工作站进行PDP和EIS测试，5 wt% NaCl溶液模拟海洋环境。

研究结果

1. 表面形貌调控：低扫描速度（100 mm/s）和小间距（50μm）显著降低反射率（<10%），促进激光能量吸收，形成均匀的微米级凹坑与纳米级颗粒复合结构（SEM显示层级特征）；
2. 超疏水机制：后热处理促使表面碳氢化合物吸附（XPS证实C含量增加21.7%），协同微/纳米结构锁住空气膜，实现Cassie-Baxter态；
3. 腐蚀防护性能：优化样品在3.5 wt% NaCl溶液中腐蚀电位（E_corr）正移0.38 V，阻抗模值达1.2×10⁵ Ω·cm²，NSS测试240小时后仍保持CA>150°。

结论与意义
该研究揭示了激光参数-形貌-润湿性-耐腐蚀性的定量关系，证实无需化学修饰即可通过物理结构设计实现长效防护。后热处理诱导的碳氢吸附与微/纳米结构协同作用，为海洋工程装备的绿色防腐提供了新思路。论文通讯作者Hongyu Zheng指出，该方法可扩展至其他铜合金，且激光工艺参数数据库的建立有望推动工业化应用。