|纳秒激光干涉结构有望让车辆工业的化学处理更环保、更可持续

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江苏激光联盟导读：
现有车辆工业所应用的化学处理含有环境和健康风险的有害化合物，研究人员的纳秒激光干涉结构或能为此提供更安全、更环保、更可持续的建议！

对于用于车辆和飞机的材料来说，持久的防腐蚀保护对于确保极端操作条件下的结构完整性至关重要。现阶段两种化学预处理工艺广泛应用于工业环境中，为涂层附着力做准备，并保护铝合金表面免受腐蚀。尽管受到严格监管，但这两种工艺都使用了大量已知具有环境和健康风险的有害化合物。
ORNL科学家Adrian Sabau所设计的激光干涉结构系统部件，该系统用于处理铝合金板以防止腐蚀。来源：Carlos Jones/ORNL
缘起
【|纳秒激光干涉结构有望让车辆工业的化学处理更环保、更可持续】
对此，橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory ， ORNL是美国能源部所属的一个大型国家实验室)的一个多学科科学家团队应用了激光干涉结构(laser-interference structuring ， LIS) ，旨在削减甚至放弃对这些危险化合物的需求与应用。 LIS方法的新应用响应了美国国防部对研究项目的要求——探索军用车辆和飞机系统中非化学腐蚀防护的替代方法。铬酸盐转化涂层（Chromate conversion coating CCC），使用六价铬（一种已知的致癌物）来抑制腐蚀。硫酸阳极氧化（ Sulfuric acid anodizing ， SAA）使用会严重刺激皮肤和眼睛的硫酸，一旦被吸入可能会导致永久性肺部损伤。每年有数百万加仑用过的化学溶液被作为危险废物处理。军方运营着12000多架飞机、10000辆坦克、数百艘船只以及大量其他车辆和武器系统。国防部拥有并运营数百个制造和维修这些车辆和设备的工业设施，每年花费超过200亿美元用于防腐。因此LIS方法的新应用可谓应运而生，有着重要的价值！
用(a–c)CCC和(d) SAA处理制备的x射线切割测试铝板的图片。 Sabau专门从事金属铸造和凝固等材料加工，他带领着自己的团队最近完成了一个在汽车应用中使用LIS进行焊接的项目。当他了解到国防部呼吁研究非溶剂表面制备时，萨博认识到类似的技术也可以有效地提高涂层附着力。他的新应用技术也正是来源于此。
Sabau拿着一个涂有底漆的样品，该样品用激光干涉结构进行了预处理，并显示出涂层附着力。
原理
在实验中，他们通过将脉冲纳秒激光的初级光束分成两部分，并将其聚焦在样品表面的同一个点上来处理铝合金板。该工艺使铝合金板表面变得粗糙，并在其表面形成了周期性结构，改变了表面化学和亚表面微观结构。你也许会问：“在激光加工中，表面上产生那么大的能量，那么在衬底和内部发生了什么呢？造成任何损坏了吗？会导致其裂开吗？有没有不利于防腐的微观结构效应？” 别担心，物理化学家Meyer和显微镜学家Leonard对其表征工作进行了记录，可回答你这些问题（具体可见文末的参考文章）。 Meyer利用X射线电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy ， XPS）进行了表面化学分析。 XPS是一种材料表征技术，可以确定固体材料表面5到8纳米内都有哪些元素。 “在激光加工之前， XPS被用来确定铝合金板材的化学成分，这些板材显示出高含量的碳。再次使用XPS来确定激光处理是否清洁了表面。结果显示碳显著减少，这是我们的主要发现之一。 XPS和电子显微镜的结果有助于我们了解天然氧化物是如何通过激光加工改变的。 ”
Sabau补充道， “在观察亚表面特征时，我们在顶层观察到富含铜的沉淀物溶解，腐蚀可从此处开始。 ”清洁后的铝合金板表面通常会阻止涂层正确粘附，这是工业表面涂层中的一个已知问题。对于粘附性研究， McClurg 对材料进行了轮廓测量以及粗糙度测量。
涂有底漆的样品显示激光系统的标记。来源:Carlos Jones/ORNL