关于采用激光磷化与混合处理技术在316不锈钢网表面上制备的微纳结构形成机制及其润湿性的研究

《Surface and Coatings Technology》：Study on the formation mechanism and wettability of micro-nano structures fabricated by laser-phosphating hybrid treatment on 316 stainless steel mesh

基于激光-磷化复合处理技术，研究通过调控扫描速度在316不锈钢网上形成微纳结构，实现表面润湿性从超亲水到超疏水的可逆转变，并提升材料抗腐蚀性能和油水分离效率（>95%）。

　　

吴振强|戴凤泽|黄舒|徐家乐|霍坤

江苏大学机械工程学院，镇江，212013，中国

摘要

本文通过激光-磷化复合处理技术，展示了316不锈钢网表面微纳结构及润湿性的可控调制。实验结果表明，在较高扫描速度下的纳秒脉冲激光照射下，网表面会发生部分金属熔化现象，并形成微纳结构（如凹坑）。随后的磷化处理使得表面形成层状堆积结构，赋予其超疏水性（WCA > 150°，SA < 10°）和自清洁能力。当激光扫描速度降低时，表面会形成微柱结构。磷化处理后，形成的沟槽和孔隙结构显著增加了比表面积，使得表面具有超亲水性（WCA < 10°）和水下超疏油性（UOCA > 150°），油水分离效率超过95%，分离通量达到2280 L·m?2·h?1。这种复合处理显著提升了316不锈钢网的耐腐蚀性和长期耐用性。

引言

高网孔不锈钢网在建筑防护、防污涂层和油水分离等领域具有广泛应用前景，这得益于其优异的机械强度、耐腐蚀性和设计灵活性[[1], [2], [3]]。在实际应用中，不锈钢网的功能性能很大程度上取决于其表面润湿性[[5], [6], [7]]，而表面润湿性又受到微纳结构和化学成分的共同影响。

在不锈钢网表面构建微纳结构以调控润湿性是提高耐腐蚀性和自清洁性能的有效方法[[8,9]]。例如，Wan等人[[1]]通过热处理成功制备了超疏水性不锈钢表面。脉冲激光照射技术可实现表面微纳结构的精确制造[[10], [11], [12]]，但需要长达30天的自然老化过程才能实现疏水性转变。虽然低表面能物质可快速提升疏水性[[6,7,12,13]]，但其稳定性较差且改性层容易脱落。有机/无机涂层[[14], [15], [16]]虽然能立即降低表面能，但在高温高盐环境中容易开裂或剥落，导致整体耐用性不足。

另一方面，构建超亲水/水下超疏水表面对于开发高效油水分离膜或过滤器至关重要[[17], [18], [19], [20]]，直接影响分离效率。例如，Liu等人[[21]]开发的SiO?/壳聚糖复合涂层和Zeng等人[[4]]制备的类珊瑚超亲水氧化镁涂层均表现出良好的油水分离性能。然而，这些涂层在多次使用后可能会出现脱落和性能下降的问题。

磷化处理技术因能够调控材料表面润湿性而受到广泛关注。该技术可用于制备超疏水表面（如Emese Lantos等人[[22]]提出的硫-磷化等离子体光催化方法，以及Zhai等人[[5]]通过喷砂和化学沉积Ni在铝合金上制备的超疏水结构）。相反，它也可用于实现超亲水性，例如Li等人[[23]]报道的二维磷化物制备方法和Liu等人[[24]]开发的W掺杂非晶态铁磷化物超亲水表面。此外，磷化处理还能显著提升金属的耐腐蚀性（例如Belén Díaz等人[[25]]利用阴极磷化技术制备的耐腐蚀膜，以及Wang等人[[26]]在镁合金表面通过化学转化制备的DCPD/MgHPO?·3H?O复合膜）。然而，传统磷化工艺通常存在复杂性高、能耗大和难以控制微纳结构的问题。

激光表面改性技术因其非接触操作、高精度、选择性加工和环保优势而受到认可。纳秒脉冲激光照射能有效去除不锈钢网表面的Cr?O?钝化层[[27], [28], [29]]，同时诱导可控的微纳结构[[30,31]]，显著增加比表面积并提供丰富的机械互锁位点[[32,33]]。后续的磷化处理可在活化表面原位生长磷酸盐晶体，从而实现对表面形貌和润湿性的综合调控[[34], [35], [36]]。

总之，为了解决激光改性周期长、改性剂表面能低、传统磷化工艺复杂以及难以控制微纳结构等问题，本文提出了一种激光-磷化复合处理技术。本研究探讨了纳秒脉冲激光扫描速度对316不锈钢网表面微纳结构和润湿性的影响，旨在实现从亲水性到超疏水性或超亲水/水下超疏油性的转变，同时保持优异的耐腐蚀性和耐用性。

实验材料与试剂

实验所用原始样品为316不锈钢网（SSM），具体参数如下：孔径0.0025 mm，线径0.025 mm，网孔密度3000个/平方英寸，样品尺寸为25 mm × 25 mm。

整个实验过程中，所有溶液制备和清洗步骤均使用去离子水。所用化学试剂均来自中国医药化学试剂有限公司，为分析纯度，按原包装使用。

SSM的表面形貌分析

原始SSM的表面（图1(a1, a2)）相对光滑，存在由制造过程引起的平行划痕。EDS分析确认其材料成分符合316不锈钢的特性。

将SSM置于充满高纯度氩气（99.99%）的密封手套箱中，采用不同扫描速度（400, 300, 200, 100 mm/s）的纳秒脉冲激光处理，成功制备出LS-SSM（图1(b-e)）。

激光-磷化作用机制

在高纯度氩气环境中用纳秒脉冲激光照射316不锈钢网表面（图8(a)），能有效去除Cr?O?钝化膜[[27], [28], [29]]，暴露出新鲜金属表面并生成后续磷化反应的活性位点。伴随的熔化、重熔和快速固化过程促进了微尺度结构（如凹坑、孔隙和微柱）以及纳米尺度氧化物颗粒和波纹结构的形成。

结论

本文开发了一种激光-磷化复合技术，用于调控316不锈钢网的表面微纳结构和润湿性。主要研究结果如下：

• 1.
  原始SSM的WCA为82.171°。经过纳秒脉冲激光照射（30 W, 40 kHz, 100 ns, 300 mm/s）和后续磷化处理后，所得LP-SSM-b表面的微观结构由层状或针状磷酸盐晶体组成。

作者贡献声明

吴振强：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，实验研究，数据分析。戴凤泽：撰写 – 审稿与编辑，项目监督，资源协调，资金筹集，概念构思。黄舒：实验方法设计，资金筹集，数据分析。徐家乐：实验方法设计。霍坤：实验方法设计，实验研究。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：52375186）、内蒙古自治区重点研发与成果转化计划（项目编号：2025YFHH0104）和青年教师科研创新能力支持项目（项目编号：ZYGXQNJSKYCXNLZCXM-D5）对本研究的财务支持。同时，作者感谢出版商允许使用本文中的图表和图形。