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

1、隨著對材料表面微/納結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)的認識，微/納制造技術(shù)已發(fā)展成為表面改性領(lǐng)域的研究熱點之一。飛秒激光微/納加工技術(shù)，突破了對加工材料種類和尺寸的限制，高效地實現(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、機理均尚不清楚。本文開展飛秒激光制備鎂合金表面微納結(jié)構(gòu)的研究，對于開發(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AZ31B鎂合金表面進行燒蝕處理，重點研究了飛秒激光工藝參數(shù)對鎂合金表面微納結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，測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、潤濕性能和細胞毒性。主要內(nèi)容及結(jié)論如下：
　　1.通過調(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.在可見光范圍內(nèi)（400～800 nm），通過測試微納結(jié)構(gòu)表面的光反射率來間接表征陷光性能的好壞。分析了工藝參數(shù)對光反射率的影響，結(jié)合三維表面形貌和粗糙度重點研究了四種典型微

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理。試驗結(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。在可見光范圍內(nèi)，溝槽結(jié)構(gòu)的光吸收率最高可達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)，其波動性源于顆粒和孔洞的尺寸大小。
　　3.通過測量接觸角的大小來表征微納結(jié)構(gòu)表面的潤濕性能，記錄不同時刻接觸角的變化來判斷潤濕狀態(tài)的穩(wěn)定性

5、。試驗結(jié)果表明，飛秒激光燒蝕后形成的納米級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??；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染色的方法來觀察小鼠成骨細胞在鎂合金微納結(jié)構(gòu)表面的存活狀態(tài)，并對培養(yǎng)24 h后的細胞形態(tài)進行觀察。試驗結(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