基于飞秒激光技术制备微纳结构不锈钢仿生表面及其抗腐蚀性能研究

Stainless steel with micro/nano structures normally have unique properties, e.g. super-hydrophobicity and excellent corrosion resistance property, and can be potentially applied in coastal and oceanographic engineering, medical apparatus and instruments, and petrochemical engineering etc. Femtosecond laser technique raised worldwide attention due to its high precision and flexible operation, and has a huge potential for micro-modification. The present proposal will systematically investigate: (1) formation mechanism of femtosecond laser irradiated micro-nano structures; and (2) corrosion mechanism of micro-nano structured stainless steel. We believe that this project will contribute important scientific value to laser-material interaction, provide an effective surface modification technique to enhanced corrosion resistance property of stainless steel, and prolong the service life of stainless steel products in related fields.

本项目针对沿海工程、医疗器械以及石油化工等领域对延长不锈钢使用寿命的迫切需求，以304不锈钢为具体研究对象，研究利用先进的飞秒激光技术增强不锈钢抗腐蚀性能这一关键科学问题。主要内容包括：（1）飞秒激光参数、作用方式及作用环境对不锈钢表面微纳结构及元素分布的影响规律；（2）不锈钢表面的微纳结构、元素分布对其润湿性能及抗腐蚀性能的影响规律。为研究激光与不锈钢表面相互作用，以及微纳结构增强不锈钢表面抗腐蚀性能提供科学依据和理论指导。在此基础上，获得飞秒激光增强不锈钢表面抗腐蚀性能的方法，为延长不锈钢在相关领域的使用寿命提供关键技术支撑。

腐蚀问题能够消耗掉一个国家每年大约3-5%的国民生产总值，直接关系到人民的生命财产安全。304不锈钢具有优良的抗氧化性及优异的机械性能，广泛应用于海洋工程等诸多领域。本项目通过研究飞秒激光参数、作用方式及作用环境对不锈钢表面微纳结构形成机制的影响规律，以及不锈钢表面的微纳结构对其润湿性能和抗腐蚀性能的影响规律，揭示了飞秒激光与不锈钢表面相互作用机制，在此基础上，获得了飞秒激光增强不锈钢表面抗腐蚀性能的方法，此项研究可为延长不锈钢在相关领域的使用寿命提供关键技术支撑，在学科发展和工程应用上均具有十分重要的意义。研究结果表明：（1）随着激光能量密度的增大，电子晶格达到热平衡状态时所需要的耦合时间增加；在相同的激光能量密度下，脉宽越短，激光达到的峰值强度就会越高，与不锈钢相互作用时的瞬时效应会越明显。（2）损伤阈值通量随脉宽的增加而提高；随轰击发次的增加而降低。（3）激光通量和脉冲数是影响不锈钢表面显微结构及尺寸的主要因素，脉冲数和激光通量通过两种方式影响低频周期结构的周期特性和形貌：入射激光与表面等离子体激元（SPPs）之间的干涉，以及粗糙度辅助表面等离子体激元耦合。（4）LIPSSs与亚微米孔复合结构与氟化膜层具有很好的结合性能，可用于制备低粘附超疏水不锈钢表面。（5）原始光滑不锈钢表面具有高粘附亲水特性；利用飞秒激光技术制备的超疏水不锈钢表面，对水滴具有一定的黏附力；经过氟化技术处理后，微纳结构不锈钢表面具有优异的低黏附超疏水特性。（6）不锈钢表面的阻抗随着微纳结构的长大呈先减小后增大再减小的趋势。阻抗增大的原因可能是微纳结构不锈钢浸入液体环境中，相当于在固-液界面间引入了一层气垫，可阻止腐蚀过程中电子的转移。阻抗减小的原因可能是微结构达到一定尺寸后，材料表面容易在腐蚀溶液中自发形成电极，加速腐蚀现象的发生。通过优化实验参数，获得的改性后不锈钢表面的抗腐蚀性能约为处理前不锈钢表面的5倍。