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）的研究現狀

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

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2023.109812

論文導讀

近日，上海工程技術大學材料科學與工程學院張培磊教授領導的國際研究團隊，在光學與激光領域著名期刊《Optics & Laser Technology》發表題為“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。本研究工作得到了國家自然科學基金和上海市材料科學與工程高峰學科（高能束智能加工與綠色制造）的支持。

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。

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，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）時使用的脈沖數較少，而較低通量情況下使用的脈沖數較多（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.（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。表面細菌粘附狀態示意圖（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,實驗的激光脈沖數量均為1000。

圖11.經(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。（d）–（f）是較低掃描速度1mm/s下的形態。

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，曲線右側出現斷裂。

總結展望

綜上所述，金屬玻璃作為一種新興的材料，相較于傳統金屬材料，金屬玻璃有著眾多優勢，這也使得其在工業或醫療行業中有著巨大的潛力，飛秒激光和納秒激光的出現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，較為詳細的總結了近十幾年來的研究現狀。

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，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生哪些有趣的現象，目前還有待研究，相信這會對金屬玻璃的發展提供重要幫助。

主要作者介紹

通訊作者：張培磊 博士、教授

2010年畢業于上海交通大學，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、激光智能制造系統的研究。目前已在激光智能制造領域的國際知名期刊發表 SCI、EI 收錄論文100余篇，獲得國家發明專利授權12項、實用新型專利授權5項。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、中國機械工業教育協會焊接技術與工程專業教學委員會委員，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項目、上海市高新技術領域重點項目、新疆自治區科技援疆專項、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、上海三一重機等企業委托技術開發課題的研究，獲得2015年上海科技進步一等獎，入選江蘇省“雙創人才”。

第一作者：張微林

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。