[發明專利]納秒激光輻照制備鐵基非晶合金表面納米結構的方法

有效

• 申請號: 202111243417.7
• 申請日: 2021-10-25
• 公開（公告）號: CN113770537B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發明（設計）人: 黃虎;錢永峰;張帝;張洪洋;劉翰林;洪婧
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B23K26/352
• 分類號: B23K26/352;B23K26/60
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 王怡敏

本發明涉及一種納秒激光輻照制備鐵基非晶合金表面納米結構的方法，屬于材料表面微納加工領域。步驟包括：非晶合金表面進行機械研磨及拋光；非晶合金依次在無水乙醇和丙酮中進行超聲波清洗；利用鉺元素與氧元素在高溫條件下的化學親和性以及其形成的化合物與基體的潤濕性不匹配，通過在大氣環境下對鐵基非晶合金進行納秒激光輻照，在其表面誘導形成納米結構。本發明利用激光輻照誘發的化學反應以及熔體流動效應，通過改變激光輻照參數便可在鐵基非晶合金表面制備納米顆粒結構或者網狀納米結構，具有經濟高效、綠色環保、工藝流程簡單等優點，在表面催化、廢液處理、微納光學、生物醫學等領域具有潛在的應用前景。

技術領域

本發明涉及材料表面微納加工領域，特別涉及一種納秒激光輻照制備鐵基非晶合金表面納米結構的方法，在表面催化、廢液處理、微納光學、生物醫學等領域具有潛在的應用前景。

背景技術

非晶合金是由合金熔體超急冷凝固而成，兼具一般金屬和玻璃優異的力學、物理和化學性能的新型合金材料。自非晶合金問世以來，一直是諸多領域的研究熱點。研究人員通過成分設計和工藝優化，已成功開發出鐵基、鋯基、鎂基、銅基等多種具有不同性能的非晶合金體系。其中，鐵基非晶合金由于其優異的軟磁特性和良好的催化活性，已經被普遍應用于電力電子、工業催化和廢液處理等領域。同時，已有研究表明，材料的性能離不開其本身納米尺度上的結構化。因此，實現鐵基非晶合金表面納米結構的可控制備對其大規模工業應用具有重要的推動作用。

納米壓印技術是一種廣泛用于制備材料表面納米結構的方法。然而，盡管采用該方法可以制備出具有超高分辨率的表面納米結構，但也存在模具制備工藝流程復雜、刻蝕工藝參數難以精確控制以及脫模困難等問題。激光加工是一種通用性強、經濟高效、綠色環保的加工方法，在近些年來被逐步用于在非晶合金表面制備微納米結構。例如，通過納秒激光輻照置于氬氣氛圍中的非晶合金后，直徑大于50μm的微凸結構在輻照區域形成（Y.F.Qian, et al . On the transformation between micro-concave and micro-convex innanosecond laser ablation of a Zr-based metallic glass, Journal ofManufacturing Processes, 68 (2021) 1114-1122），但該方法利用的是高溫下非晶合金熔體的流動特性，所需的激光能量和單位時間內激光脈沖數目較高，無法形成納米尺度的微結構。當在大氣環境下進行激光輻照時，非晶合金樣品可能與周圍的氣體發生化學反應以形成難以潤濕的納米顆粒。在隨后的冷卻過程中，伴隨著熔池內部材料的流動，納米顆粒可能會隨之流動以形成特定的納米結構，從而提升非晶合金在表面催化、廢液處理、微納光學、生物醫學等領域的應用。

發明內容

本發明的目的在于提供一種納秒激光輻照制備鐵基非晶合金表面納米結構的方法，解決現有技術存在的上述問題。本發明利用鉺元素與氧元素在高溫條件下的化學親和性以及其形成的化合物與基體的潤濕性不匹配，通過控制激光輻照參數可快速、高效地在非晶合金表面制備納米顆粒結構以及網狀納米結構，在表面催化、廢液處理、微納光學、生物醫學等領域具有潛在的應用前景。

本發明的上述目的通過以下技術方案實現：

納秒激光輻照制備鐵基非晶合金表面納米結構的方法，在大氣環境下對鐵基非晶合金表面進行納秒激光輻照，利用鉺元素與氧元素在高溫條件下的化學親和性以及其形成的化合物與基體的潤濕性不匹配，在鐵基非晶合金表面誘導形成納米結構，具體步驟包括：

(1) 對非晶合金樣品表面進行機械研磨及拋光處理，并依次使用無水乙醇和丙酮進行超聲波清洗，將清洗后的非晶合金樣品放置于三維位移平臺上；

(2) 將激光聚焦到非晶合金表面，利用納秒脈沖激光對非晶合金表面進行線掃描，通過改變激光輻照參數，調控熔池內納米顆粒的運動，進而在非晶合金表面制備納米顆粒結構或者網狀納米結構。

進一步的，步驟(1)中所述的拋光處理后的非晶合金樣品的表面粗糙度R_a10nm。