530 / 2023-03-19 13:32:41

激光冲击制造机械性能增强的三维梯度盔甲型疏水表面

激光冲击；3D梯度结构；疏水性能；机械性能

金属的疏水表面非常重要，但通常服役寿命短，这是因为金属表面的疏水微纳结构在外界机械载荷下容易断裂。现有的工艺方法要么将功能结构直接暴露在强载荷下，要么功能结构对动态载荷存在不平衡的强度-延展性响应，从而导致性能退化。在本研究中，我们提出了一种3D梯度无涂层激光冲击方法，以灵活、大规模和低成本的方式制造具有集成强化盔甲的多尺度疏水表面，突破了传统激光冲击方法仅能产生一维或二维梯度结构的技术瓶颈。研究表明：金属表面阵列式排列的微凹坑和丰富的纳米结构实现了稳定的Cassie-Baxter状态，形成了超疏水表面。面对机械摩擦载荷，盔甲型疏水表面中凸起的已被强化的盔甲结构可以有效保护内部的疏水纳米结构，表现出了稳定的疏水性能。金属表面交替规则梯度分布的硬相域和次硬相域，再加上芯部的软相域，形成了三维梯度结构，克服了强韧性的权衡，实现了良好的协同塑性变形，提供了优越的综合机械性能。采用3D梯度无涂层激光冲击工艺制造的盔甲型疏水表面结构有望在航空航天、海洋工程、轨道交通、高端数控机床及高性能医疗器械等领域发挥关键作用。