综述：飞秒激光在轻合金材料表面制备超疏水微结构的技术综述

《Optics & Laser Technology》：Femtosecond laser fabrication of surface microstructures superhydrophobicity on light alloy materials: a review

　　**摘要**

飞秒激光加工技术作为一种高效的加工方法，由于其高精度、非接触式加工能力和对材料的强适应性，在航空航天、海洋工程和生物医学领域得到了广泛应用。近年来，使用飞秒激光在轻合金表面制备超疏水微结构已成为一个备受关注的热点话题，然而关于这一主题的系统性综述尚显不足。本文旨在阐明飞秒激光技术在微加工中的优势，分析其作用于金属的基本加工机制，并综述相关的润湿模型及润湿性转变机制。尽管过去的研究已经探讨了利用飞秒激光在不同材料上实现超疏水性的方法，但专门针对轻合金材料的系统性综述仍然较少。为解决这一问题，我们对这一领域的最新进展进行了系统评估。具体而言，本文全面比较了各种飞秒激光加工方法的适用性，并对在轻合金表面上制备的超疏水微结构类型进行了分类。最后，本文还提出了未来的优化方向和发展前景。希望通过本文为从事轻合金表面超疏水微结构制备及飞秒激光制造研究的人员提供有价值的见解。

**引言**

金属及其合金是现代工业中不可或缺的工程材料，发挥着至关重要的作用。轻合金材料通常包括镁、铝、钛及其合金。由于它们具有低密度和高比强度[1],[2],[3]，因此在航空航天、汽车、电子等领域得到了广泛应用。然而，轻质合金在实际应用中也存在一些显著的缺点：镁合金化学活性高且易腐蚀[4]；铝合金在潮湿或含盐环境中容易发生点蚀或应力腐蚀[5]；虽然钛合金具有良好的耐腐蚀性，但在复杂的工作条件下仍可能发生降解和磨损[6]。此外，水分黏附、污染物堆积和低温结冰等问题也会降低表面质量并影响结构可靠性。超疏水表面以其卓越的防水性能而闻名，这种表面结构能够在水滴下形成微米和纳米级的粗糙形态，从而促进水滴的轻松滚落。在轻合金表面开发出高度耐用的超疏水涂层以减少液体接触、抑制腐蚀和抵抗结冰具有重要的工程意义。

制造超疏水微结构是赋予材料超疏水性的关键手段。近年来，人们越来越关注具有耐磨性、耐腐蚀性和高可靠性的多功能超疏水结构的设计与制造。这些结构在航空航天[7]、生物医学[8]、微电子[9]和环境修复[10]等领域发挥着重要作用，广泛应用于精密部件、药物输送系统、柔性混合电路和油水分离材料等。随着精密制造技术向更高精度方向发展，微结构加工已成为精密工程中最突出的领域之一。为了制备超疏水微结构，研究人员开发了多种方法，包括化学蚀刻[11]、气相沉积[12]、电化学加工[13]、光刻[14]和纳米压印光刻[15]。

化学蚀刻通过酸或碱溶液与材料反应来溶解未被掩蔽的区域，从而实现图案化蚀刻，具有操作简单和可控性强的优点，特别适合于大规模表面微结构的制造，并且可以通过调整成分、浓度或温度来实现精确控制。然而，化学蚀刻速度极慢，且精度受溶液扩散限制。气相沉积工艺能够生成均匀、快速且适合批量生产的表面微结构，但设备成本相对较高。电化学加工方法更适合某些高导电性材料，但其适用材料范围有限。光刻技术具有高可控性，但需要专门的昂贵设备。纳米压印技术具有灵活的加工能力，能够以相对较低的成本实现精确的微结构制造，但其长期稳定性取决于模具的使用寿命。

与上述传统方法不同，激光加工是一种先进的精密加工技术，具有加工速度快、空间分辨率高、效率高和无污染操作等优点，使其成为微结构制造中的重要方法[16],[17]。这项技术具有很高的加工灵活性，几乎可以加工所有材料，包括金属[18]、聚合物[19]和半导体[20]。其多功能性体现在多种表面处理技术中，如激光抛光[21]、激光冲击强化[22]、激光熔覆[23]和激光再熔化[24]。此外，激光加工是一种环保的制造方法，不会产生废液或其他污染物。鉴于这些优势，激光微加工技术是制造微结构的理想方法，可以实现可控的表面形貌，是一种高效、便捷且易于控制的加工技术。

自1960年Theodore Maiman发明世界上第一台红宝石激光器[25]以来，激光加工技术取得了迅速发展，在切割[26]、钻孔[27]、微制造[28]和增材制造[29]等多个领域得到了广泛应用。飞秒激光器的脉冲宽度范围从几飞秒到几百飞秒（1 fs = 10^-15 s），由于其极短的脉冲持续时间，也被称为超快激光器。飞秒激光器具有超短脉冲持续时间、极高的峰值能量以及所谓的“冷加工”能力等优点，这些优点是普通激光器所无法比拟的。产生飞秒激光的主要方法是锁模技术，主流的锁模方法主要依赖于饱和吸收体或克尔透镜效应[30]。1985年提出的啁啾脉冲放大（CPA）技术为飞秒激光系统带来了革命性的突破，该技术通过在放大前拉伸脉冲来消除其他超快激光技术中的非线性效应，从而降低了脉冲的峰值功率。20世纪90年代，Chichkov等人[32]利用0.2–5000 ps的钛宝石激光脉冲实现了微孔制备，将飞秒激光技术提升到了一个新的水平，使其成为研究和应用中的首选工具，得益于其宽的可调谐范围、高功率输出和短脉冲宽度。这一时期，飞秒激光技术在化学[33]、生物医学[34]、光学微制造[35]等领域得到了广泛应用，推动了这些领域的研究和技术进步。

进入21世纪后，飞秒激光技术的应用范围进一步扩大，特别是在生物医学成像、材料加工、纳米科学、精密制造和基因编辑等领域。同时，光纤激光器和固态激光技术等新技术的出现为产生更短脉冲、更高峰值功率和更宽可调谐范围提供了可能。飞秒激光技术的发展具有革命性，脉冲持续时间从几百飞秒缩短至仅几飞秒，峰值功率从兆瓦级提升至拍瓦级。因此，这些激光器吸引了越来越多的学术关注，并在各个领域发挥着越来越重要的作用。此外，研究人员正在积极开发新技术以提升飞秒激光器的性能。Zilenaite等人[33]提出了一种基于投影的飞秒激光微加工技术，该技术通过一次照射整个二维区域来克服传统逐点加工的速度瓶颈，实现了亚微米级的横向分辨率和原子级纵向分辨率，加工速度达到了9 mm2/s，比现有技术快10^5倍。Petelin等人[34]提出了一种新的2.5D表面结构概念，相比传统的激光表面结构方法，该技术既能提高加工效率又能保证精度，充分利用了最新飞秒激光源的按需脉冲功能。由于与任何可重复和可预测的扫描系统兼容，这种方法的加工效率比标准逐层材料去除方法高出10倍。

由于飞秒激光技术的诸多优点，它在电子设备制造、生物医学、环境保护和航空航天等领域得到了广泛应用，如图1所示。在生物医学领域，飞秒激光因热效应小而在眼科手术[35]、高精度显微镜成像[36]和生物实验[37]中得到广泛应用。在电子设备领域，飞秒激光加工显著提高了制造精度，不仅可用于制造光伏和触摸面板的金属透明电极[38]，还有助于构建高性能电容式压力传感器[39]和双Fabry-Pérot干涉仪（FPI）微调传感器[40]，为功能性光学器件的发展提供了有效策略[41],[42]。在环境保护领域，飞秒激光不仅可用于空气污染的气体监测[43]，还能解决复杂的水管理问题，如油水分离[44]和废水净化[45]，通过制造具有特殊润湿性的表面来实现。此外，这项技术还可用于构建光电极以促进太阳能驱动的水分解制氢[46]，并进一步扩展到基于焦耳加热的热电转换和热辅助应用[47]。

与此同时，航空航天行业高度依赖飞秒激光的“冷加工”特性，特别是在涡轮发动机部件和精密材料的制造中。研究表明，飞秒激光能够实现对碳纤维增强聚合物（CFRP）表面多层涂层的精确烧蚀和非破坏性加工[48]，为复合组件的高精度维护提供了可行的技术途径。

近年来，飞秒激光微加工技术已成为金属微表面加工的优异和便捷方法，能够实现各种固体材料表面的精密加工，包括微孔钻探[49]、微结构蚀刻[50]和表面改性[51]。此外，它还解决了传统激光技术在微尺度上的诸多问题，如热效应、材料损伤和精度限制。利用飞秒激光在工程材料表面构建微结构以增强或改变其特定表面性质的研究已成为飞秒激光加工应用领域的一个重要分支。其中，可控的表面微结构制备对于创建具有特定功能表面的至关重要。因此，在轻合金材料的背景下，利用飞秒激光技术进行微结构制造并实现超疏水性是满足严格表面质量要求的关键工具，从而确保了航空航天、汽车等领域组件的可靠性和长寿命。随着飞秒激光加工技术的进步，制备超疏水微结构已成为改善轻合金材料表面性能的关键策略[53],[54],[55]。激光诱导的微结构与低表面能改性的结合赋予了这些材料三种协同功能：自清洁、防冰和耐腐蚀。首先，这种表面结构模仿了自然界的“莲花效应”，促进水滴滚动，从而去除污染物并降低维护成本[56],[57],[58]。其次，减少的固液接触面积显著降低了热传递效率，有效抑制了极端寒冷环境中的冰形成和附着[59],[60],[61]。最后，界面处的空气层形成了屏障，阻碍了腐蚀性介质的渗透，延缓了镁合金和铝合金等轻合金材料的电化学反应，延长了其使用寿命[62],[63],[64]。总之，这项技术为轻合金材料的多功能保护提供了绿色且可定制的解决方案。

尽管飞秒激光技术发展迅速，但仍存在许多需要解决的问题。持续优化对于应对未来的趋势和挑战至关重要。本文描述和评估了将飞秒激光微加工技术应用于轻合金表面以实现超疏水性的最新进展。第二章详细阐述了飞秒激光技术的具体优势及加工轻合金材料所涉及的机制，包括烧蚀阈值理论、相爆炸理论以及双温度模型和分子动力学模型，为后续的加工机制分析奠定了理论基础。此外，还介绍了超疏水润湿理论，描述了该领域的三个主要润湿模型：杨氏模型、Wenzel模型和Cassie-Baxter模型。第三章详细介绍了通过飞秒激光加工制造超疏水表面的方法，并展望了潜在的未来加工方法的发展方向。第4章详细介绍了制造超疏水微结构的具体方法。本文全面展示了飞秒激光加工技术在轻合金表面制备超疏水微结构方面的重要性，为相关制造商和研究人员提供了理论参考。本研究的框架如图2所示。

**飞秒激光技术基础**
飞秒激光因其极短的脉冲宽度和极高的峰值功率而在精密加工中具有独特优势。快速发展的Ti:蓝宝石技术现已覆盖从MHz振荡器到皮瓦级放大器的范围，并能够通过高次谐波生成亚飞秒脉冲。此外，当飞秒激光通过物镜聚焦时，在焦点处会产生极高的电场强度。

**超疏水微结构的制造方法**
超疏水表面因其出色的性能（包括自清洁、耐腐蚀、防冰和减阻作用）而受到广泛关注。目前，研究人员已经开发出了多种制造超疏水表面的方法，包括化学蚀刻[11]、 vapor deposition [12]、电化学加工[13]、光刻[14]和直接压印[120]。然而，这些方法存在一些缺点，如稳定性较差。

**微结构形态与超疏水性**
基于不同的飞秒激光加工方法，通过对激光能量密度、扫描速度和脉冲累积效应的精确控制，可以在轻合金表面上制造出具有不同几何特征和尺度的微结构。这些微结构直接决定了固液界面处的接触状态，为实现和调节表面超疏水性提供了物理基础。

**结论**
具有优异防水性、自清洁和抗粘附能力的超疏水表面在纺织、建筑和医疗保健等多个领域得到了广泛应用。实现超疏水性的关键在于构建能够捕获空气并增大表面接触角的微结构。作为一项新兴技术，飞秒激光加工相比传统的微结构制造方法具有显著优势。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有任何已知的财务利益冲突或可能影响本文工作的个人关系。

**致谢**
作者感谢上海市科学技术委员会的科学和技术规划项目（项目编号：24ZR1427200、24TS1412800）以及中国山东省的重大科技创新工程项目（项目编号：2026CXGC010114）对本文的研究提供的财政支持。特别感谢编辑和审稿人的宝贵建议。

作者：吴阳 | 王大中 | 吴淑静 | 徐亚红 | 姚饶 | 蒋峰 | 李长河