飛秒激光制備鎂合金表面微納結(jié)構(gòu)的演變機(jī)制及其性能研究.pdf

1、隨著對(duì)材料表面微/納結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)的認(rèn)識(shí)，微/納制造技術(shù)已發(fā)展成為表面改性領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。飛秒激光微/納加工技術(shù)，突破了對(duì)加工材料種類和尺寸的限制，高效地實(shí)現(xiàn)了材料表面二維或三維微/納結(jié)構(gòu)的可控加工，是一種應(yīng)用前景廣泛的微/納制造技術(shù)。鎂合金不僅是一種輕質(zhì)高強(qiáng)的結(jié)構(gòu)材料，而且有望成為一種新型可降解生物材料，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，關(guān)于飛秒激光制備鎂合金表面微/納結(jié)構(gòu)的研究很局限，飛秒激光燒蝕鎂合金可獲得的表面形貌種類及其相互作用

2、機(jī)理均尚不清楚。本文開(kāi)展飛秒激光制備鎂合金表面微納結(jié)構(gòu)的研究，對(duì)于開(kāi)發(fā)可控鎂合金功能性表面具有一定的指導(dǎo)意義。
　　本文采用飛秒激光光柵掃描方式對(duì)AZ31B鎂合金表面進(jìn)行燒蝕處理，重點(diǎn)研究了飛秒激光工藝參數(shù)對(duì)鎂合金表面微納結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，測(cè)試并分析了飛秒激光制備的AZ31B鎂合金微納結(jié)構(gòu)表面的陷光性能、潤(rùn)濕性能和細(xì)胞毒性。主要內(nèi)容及結(jié)論如下：
　　1.通過(guò)調(diào)控飛秒激光的能量密度和掃描速度，在AZ31B鎂合金表面成功制備了Fs

3、-irradiated形貌和Fs-inscribed兩種形貌。Fs-irradiated典型的結(jié)構(gòu)包括納米級(jí)FLIPSS波紋結(jié)構(gòu)，顆粒結(jié)構(gòu)和孔洞結(jié)構(gòu)；Fs-inscribed形貌以溝槽結(jié)構(gòu)為主。前者主要決定燒蝕形貌的種類，后者則主要影響燒蝕形貌的尺寸。
　　2.在可見(jiàn)光范圍內(nèi)（400～800 nm），通過(guò)測(cè)試微納結(jié)構(gòu)表面的光反射率來(lái)間接表征陷光性能的好壞。分析了工藝參數(shù)對(duì)光反射率的影響，結(jié)合三維表面形貌和粗糙度重點(diǎn)研究了四種典型微

4、納結(jié)構(gòu)表面陷光性差異的成因，并建立模型解釋其陷光機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)LIPSS波紋結(jié)構(gòu)降低了鎂合金表面的光吸收率；而顆粒結(jié)構(gòu)、孔洞結(jié)構(gòu)和溝槽結(jié)構(gòu)陷光性很好。在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，溝槽結(jié)構(gòu)的光吸收率最高可達(dá)93％，相比母材提高了43.1％。顆粒結(jié)構(gòu)和孔洞結(jié)構(gòu)表面的光吸收率集中在85％～90％范圍內(nèi)，其波動(dòng)性源于顆粒和孔洞的尺寸大小。
　　3.通過(guò)測(cè)量接觸角的大小來(lái)表征微納結(jié)構(gòu)表面的潤(rùn)濕性能，記錄不同時(shí)刻接觸角的變化來(lái)判斷潤(rùn)濕狀態(tài)的穩(wěn)定性

5、。試驗(yàn)結(jié)果表明，飛秒激光燒蝕后形成的納米級(jí)FLIPSS波紋結(jié)構(gòu)、顆粒結(jié)構(gòu)和孔洞結(jié)構(gòu)表面均呈現(xiàn)疏水性，接觸角最大可達(dá)135°，但該疏水狀態(tài)并不穩(wěn)定，液體與鎂合金表面的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致接觸角減小；而溝槽結(jié)構(gòu)表面呈現(xiàn)親水性，接觸角約為20°。
　　4.采用 Live/dead染色的方法來(lái)觀察小鼠成骨細(xì)胞在鎂合金微納結(jié)構(gòu)表面的存活狀態(tài)，并對(duì)培養(yǎng)24 h后的細(xì)胞形態(tài)進(jìn)行觀察。試驗(yàn)結(jié)果表明，飛秒激光制備的鎂合金表面微納結(jié)構(gòu)能夠有效地改善材料表面引