上海工程技術(shù)大學(xué)&英國(guó)華威大學(xué)&江蘇科技大學(xué)《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(shù)大學(xué)

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

1. 論文導(dǎo)讀

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近日，上海工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張培磊教授團(tuán)隊(duì)，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(jié)合作者團(tuán)隊(duì)多年的經(jīng)驗(yàn)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(jī)制、表面微納結(jié)構(gòu)的制備、對(duì)于不同材料性能的提升等。

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2. 全文概述

近年來(lái)，激光加工對(duì)金屬玻璃進(jìn)行表面改性的研究工作越來(lái)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(duì)材料作用時(shí)間短而在該領(lǐng)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(lǐng)域，介紹了金屬玻璃的性質(zhì)和應(yīng)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(fù)雜過(guò)程。此外，本文還分析了微納結(jié)構(gòu)和宏觀形貌，并討論了微觀機(jī)理對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。另一方面，還討論了微納結(jié)構(gòu)的性能，包括力學(xué)性能、光學(xué)性能、潤(rùn)濕性和生物相容性，這對(duì)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(dòng)力學(xué)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(kāi)始后165ps納米孔周?chē)鷾囟群蚦壓力的演變。

圖2.以F=0.38J/cm2（a,b）和F=0.15J/cm2（c,d）的線(xiàn)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(wú)定形和結(jié)晶相的EBSD結(jié)構(gòu)評(píng)估。較高通量值（N=1,2,4）時(shí)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(shí)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(shí)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(jié)構(gòu)的三維示意圖，(b)能量密度變化與顏色變化的關(guān)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(jié)構(gòu)表面的形貌：(a)V105s的拋光表面；(b)V105s的納米粒子結(jié)構(gòu)表面；(c)V105的LIPSS；(d-g)Zr-BMGs的納米顆粒結(jié)構(gòu)表面；(h-k) Zr-BMG的LIPSS。

圖7.(a)不同結(jié)構(gòu)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(gè)樣本不同區(qū)域的三個(gè)測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖8.金黃色葡萄球菌在(a)拋光表面、(b)納米顆粒結(jié)構(gòu)表面和(c)LIPSS上的表面接觸狀態(tài)。表面細(xì)菌粘附狀態(tài)示意圖（d）在拋光表面上，(e)在納米結(jié)構(gòu)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(guò)程。

圖10.在各種峰值激光功率強(qiáng)度下獲得的激光燒蝕區(qū)域的3D拓?fù)?（e）–（h）為圖3（a）–（d）中標(biāo)記線(xiàn)的橫截面剖面圖,實(shí)驗(yàn)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(yīng)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(yīng)力的模擬和(b)彎曲過(guò)程中力的示意圖，(c)不同激光強(qiáng)度處理樣品的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，曲線(xiàn)右側(cè)出現(xiàn)斷裂。

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4. 總結(jié)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(shì)，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(yīng)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(jī)制、不同表面微納結(jié)構(gòu)的制備以及與性能的關(guān)系這是角度出發(fā)，較為詳細(xì)的總結(jié)了近十幾年來(lái)的研究現(xiàn)狀。

此外，作者團(tuán)隊(duì)在理解上述研究的基礎(chǔ)上，也將更進(jìn)一步的對(duì)納秒激光和飛秒激光加工金屬玻璃方向進(jìn)行研究，提出更多二者相互作用的機(jī)制，并用模擬的方式進(jìn)行體現(xiàn)，為該方向提供更多有力的機(jī)理解釋。除上述兩種激光加工方式外，阿秒激光作為脈沖時(shí)間更短的激光，在與金屬玻璃的作用中會(huì)產(chǎn)生哪些有趣的現(xiàn)象，目前還有待研究，相信這會(huì)對(duì)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(xué)，獲博士學(xué)位。曾赴中南大學(xué)和德國(guó)弗朗霍夫ILT激光技術(shù)研究所從事訪(fǎng)學(xué)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(lǐng)域的國(guó)際知名期刊發(fā)表 SCI、EI 收錄論文100余篇，申請(qǐng)國(guó)家各類(lèi)專(zhuān)利30余項(xiàng)，獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)12項(xiàng)、實(shí)用新型專(zhuān)利授權(quán)5項(xiàng)。指導(dǎo)完成國(guó)家級(jí)、上海市等大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目12項(xiàng)，指導(dǎo)學(xué)生獲國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金5人次、上海市大學(xué)生新材料創(chuàng)新創(chuàng)意大賽一等獎(jiǎng)。擔(dān)任SVOA Materials Science & Technology期刊編委、Coatings期刊特刊編輯、Frontiers in metals and Alloys期刊評(píng)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(guó)際著名期刊審稿人。目前為上海市焊接學(xué)會(huì)理事、中國(guó)機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會(huì)焊接技術(shù)與工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)委員會(huì)委員，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接分會(huì)委員。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人已完成國(guó)家自然科學(xué)基金、中央軍委總裝備部預(yù)研項(xiàng)目、上海市自然科學(xué)基金、上海市科委重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、上海市高新技術(shù)領(lǐng)域重點(diǎn)項(xiàng)目、新疆自治區(qū)科技援疆專(zhuān)項(xiàng)、克拉瑪依市重大專(zhuān)項(xiàng)等多項(xiàng)國(guó)家、省市級(jí)課題的研究。還承擔(dān)了上海電氣電站設(shè)備有限公司、上海電氣核電設(shè)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(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司、通快（中國(guó)）有限公司等企業(yè)委托技術(shù)開(kāi)發(fā)課題的研究，獲得2015年上?？萍歼M(jìn)步一等獎(jiǎng)，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(shù)大學(xué)碩士研究生，主要研究金屬玻璃表面微納結(jié)構(gòu)的超快激光加工。