上海工程技術大學&英國華威大學&江蘇科技大學《Optics & Laser Technology》綜述：飛秒和納秒激光加工塊狀金屬玻璃（BMG）的研究現(xiàn)狀

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第一作者：張微林

通訊作者：張培磊

通訊單位：上海工程技術大學

DOI：https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2023.109812

1. 論文導讀

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近日，上海工程技術大學材料科學與工程學院張培磊教授團隊，在Optics & Laser Technology發(fā)表題為“Research status of femtosecond lasers and nanosecond lasers processing on bulk metallic glasses (BMGs)”的綜述論文。該論文結合作者團隊多年的經(jīng)驗與成果，全面回顧了飛秒激光和納秒激光在金屬玻璃表面的加工現(xiàn)狀，包括但不僅限于激光與材料相互作用機制、表面微納結構的制備、對于不同材料性能的提升等。

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2. 全文概述

近年來，激光加工對金屬玻璃進行表面改性的研究工作越來越多，表明激光與金屬玻璃表面的相互作用很有趣。短脈沖激光和超短脈沖激光加工因其脈沖寬度窄、能量密度高、對材料作用時間短而在該領域最為突出。特別是飛秒激光器和納秒激光器為金屬玻璃（BMGs）的高質(zhì)量、高效率和低損耗加工提供了巨大的可能性。本文綜述了這一特定研究領域，介紹了金屬玻璃的性質(zhì)和應用，飛秒激光器和納秒激光器的加工特性，并從微觀角度解釋了激光與金屬玻璃之間的復雜過程。此外，本文還分析了微納結構和宏觀形貌，并討論了微觀機理對結構的影響。另一方面，還討論了微納結構的性能，包括力學性能、光學性能、潤濕性和生物相容性，這對金屬玻璃的表面功能化具有重要意義。

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3. 圖文解析

a.飛秒激光

圖1.分子動力學模擬顯示了超短激光照射下Zr-Cu金屬玻璃表面納米空腔的發(fā)展，峰值能量F=0.06J/cm2和一次激光射擊。輻照模擬開始后165ps納米孔周圍溫度和c壓力的演變。

圖2.以F=0.38J/cm2（a,b）和F=0.15J/cm2（c,d）的線性偏振激光脈沖輻照后BMG（a,c）和CA（b,d）樣品表面的掃描電鏡圖像。插圖中顯示了CA形狀的放大區(qū)，以及BMG表面無定形和結晶相的EBSD結構評估。較高通量值（N=1,2,4）時使用的脈沖數(shù)較少，而較低通量情況下使用的脈沖數(shù)較多（N=20,50,100）。(a)中的插圖給出了在N=4時較高通量F=0.6J/cm2的例子。LSFL表示通常垂直于激光偏振方向形成的LSFL波紋。(a,b)中給出了BMG和CA情況下N=4脈沖時LIPSS的二維傅立葉變換（FT）表示法，顯示了LSFL和HSFL的發(fā)展及其在空間-頻率空間（K空間）中的特定空間周期性。

圖3.Zr基金屬玻璃表面具有高輪廓，具有不同的有效累積能量。

圖4.多脈沖飛秒激光器在0.18J/cm2的低能量通量下照射的樣品的表面形態(tài).（a）N=10，（b）N=30和（c）N=100。

圖5.(a)激光加工周期性表面光柵結構的三維示意圖，(b)能量密度變化與顏色變化的關系示意圖，(c)未處理、2.5J/mm2和8.0J/mm2處理的XRD圖譜。

圖6.飛秒激光納米結構表面的形貌：(a)V105s的拋光表面；(b)V105s的納米粒子結構表面；(c)V105的LIPSS；(d-g)Zr-BMGs的納米顆粒結構表面；(h-k) Zr-BMG的LIPSS。

圖7.(a)不同結構V105s表面的接觸角變化，(b)試樣的水接觸角變化，(c)正十六烷試樣的接觸角變化，(d)試樣的表面能變化；誤差條表示基于每個樣本不同區(qū)域的三個測量值的標準偏差。

圖8.金黃色葡萄球菌在(a)拋光表面、(b)納米顆粒結構表面和(c)LIPSS上的表面接觸狀態(tài)。表面細菌粘附狀態(tài)示意圖（d）在拋光表面上，(e)在納米結構表面上和(f)在LIPSS上。

b.納秒激光

圖9.納秒脈沖激光照射的a非晶和b晶體的燒蝕過程。

圖10.在各種峰值激光功率強度下獲得的激光燒蝕區(qū)域的3D拓撲,（e）–（h）為圖3（a）–（d）中標記線的橫截面剖面圖,實驗的激光脈沖數(shù)量均為1000。

圖11.經(jīng)(a)10J/cm2、(c)30J/cm2、(e)50J/cm2的各種激光能量密度處理的凹坑紋理表面的SEM顯微照片和選定酒窩的相應橫截面輪廓(b)(d)(f)。

圖12.（a）-（c）是0.649W的較高平均功率下的形態(tài)。（d）–（f）是較低掃描速度1mm/s下的形態(tài)。

圖13.不同激光能量密度下激光照射后鐵基MG表面的SEM形貌：(a、b)0.85J/cm2、(c、d)1.39J/cm2和(e、f)1.89J/cm2

圖14.(a)激光處理BMG棒材表面殘余應力的模擬和(b)彎曲過程中力的示意圖，(c)不同激光強度處理樣品的應力應變曲線，曲線右側(cè)出現(xiàn)斷裂。

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4. 總結展望

綜上所述，金屬玻璃作為一種新興的材料，相較于傳統(tǒng)金屬材料，金屬玻璃有著眾多優(yōu)勢，這也使得其在工業(yè)或醫(yī)療行業(yè)中有著巨大的潛力，飛秒激光和納秒激光的出現(xiàn)讓金屬玻璃的應用更加廣泛。本文從飛秒激光和納秒激光與金屬玻璃的相互作用微觀機制、不同表面微納結構的制備以及與性能的關系這是角度出發(fā)，較為詳細的總結了近十幾年來的研究現(xiàn)狀。

此外，作者團隊在理解上述研究的基礎上，也將更進一步的對納秒激光和飛秒激光加工金屬玻璃方向進行研究，提出更多二者相互作用的機制，并用模擬的方式進行體現(xiàn)，為該方向提供更多有力的機理解釋。除上述兩種激光加工方式外，阿秒激光作為脈沖時間更短的激光，在與金屬玻璃的作用中會產(chǎn)生哪些有趣的現(xiàn)象，目前還有待研究，相信這會對金屬玻璃的發(fā)展提供重要幫助。

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5. 主要作者介紹

張培磊 博士、教授

2010年畢業(yè)于上海交通大學，獲博士學位。曾赴中南大學和德國弗朗霍夫ILT激光技術研究所從事訪學研究。一直致力于激光與材料相互作用、激光智能制造系統(tǒng)的研究。目前已在激光智能制造領域的國際知名期刊發(fā)表 SCI、EI 收錄論文100余篇，申請國家各類專利30余項，獲得國家發(fā)明專利授權12項、實用新型專利授權5項。指導完成國家級、上海市等大學生創(chuàng)新訓練計劃項目12項，指導學生獲國家獎學金5人次、上海市大學生新材料創(chuàng)新創(chuàng)意大賽一等獎。擔任SVOA Materials Science & Technology期刊編委、Coatings期刊特刊編輯、Frontiers in metals and Alloys期刊評論編輯、焊接雜志社青年編委、《金屬加工（熱加工）》編委，受邀為Materials Today、ACS Applied Nano Materials、Materials Science and Engineering A, Applied Surface Science, Journal of Alloys and Compounds 等多家國際著名期刊審稿人。目前為上海市焊接學會理事、中國機械工業(yè)教育協(xié)會焊接技術與工程專業(yè)教學委員會委員，中國機械工程學會焊接分會委員。作為項目負責人已完成國家自然科學基金、中央軍委總裝備部預研項目、上海市自然科學基金、上海市科委重點研發(fā)項目、上海市高新技術領域重點項目、新疆自治區(qū)科技援疆專項、克拉瑪依市重大專項等多項國家、省市級課題的研究。還承擔了上海電氣電站設備有限公司、上海電氣核電設備有限公司、上海振華重工有限公司、上海外高橋造船有限公司、中科院等離子體物理研究所、中車青島四方機車車輛股份有限公司、通快（中國）有限公司等企業(yè)委托技術開發(fā)課題的研究，獲得2015年上?？萍歼M步一等獎，入選江蘇省“雙創(chuàng)人才”。

張微林 碩士研究生

張微林，上海工程技術大學碩士研究生，主要研究金屬玻璃表面微納結構的超快激光加工。