激光纹理化黄铜表面超疏水性与耐腐蚀性增强机制的深入研究

作者及机构
本研究的通讯作者为Wei Zhang（张伟）和Hongyu Zheng（郑红玉），均来自山东理工大学机械工程学院（School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255000, China）。合作作者包括Mingyou Wang（王明友，南京农业机械化研究所）等。研究发表于期刊《Surfaces and Interfaces》2025年第72卷，文章编号107025。

学术背景
黄铜（brass）因优异的导电性和导热性广泛应用于电子元件与工业设备，但其在潮湿或含腐蚀性介质（如海洋环境）中易发生氧化腐蚀，导致铜（Cu）和锌（Zn）的氧化物层破坏，引发设备失效。传统防腐方法（如化学镀层、溶胶-凝胶法）存在成本高、环境污染或工艺缺陷等问题。激光烧蚀（laser ablation）技术通过构建微纳结构（micro/nano structures）提升表面粗糙度，结合低表面能改性，可制备超疏水（superhydrophobic, CA>150°）表面，减少液固接触面积，从而增强耐腐蚀性。然而，激光诱导超疏水表面的长期稳定性及结构-功能关系尚不明确。本研究旨在通过皮秒激光（picosecond laser）纹理化与后续热处理，揭示黄铜表面超疏水性及耐腐蚀性增强的机制。

研究流程与方法
1. 材料制备
- 样品处理：黄铜成分为59 wt% Cu和37 wt% Zn，经150#至10000#砂纸逐级抛光，丙酮、酒精和去离子水超声清洗。
- 激光纹理化：使用Picoyl-60皮秒激光（波长1030 nm，脉冲宽度50 ps），功率40 W，扫描速度（v）100-900 mm/s，线间距（i）50-150 μm，构建微纳结构。
- 后热处理：激光处理后的样品在150°C加热12小时，促进表面化学组分（如C–C(H)基团）吸附，降低表面能。

1. 表征与分析
   
   • 形貌表征：扫描电镜（SEM）观察表面结构，激光共聚焦显微镜（laser confocal microscopy）量化表面面积比（SDR）和反射率。
     
   • 润湿性测试：静态接触角（CA）测量评估超疏水性，最优参数（i50v100）下CA达154°。
     
   • 电化学测试：
     
     • 动电位极化（PDP）：在3.5 wt% NaCl溶液中测定腐蚀电流密度（icorr）和电位（Ecorr），后热处理表面icorr降低至1.945×10⁻⁷ A/cm²，保护效率达83.9%。
       
     • 电化学阻抗谱（EIS）：拟合等效电路显示，后热处理表面因微纳结构捕获空气膜（air film），电荷转移电阻（Rct）显著提高。
       
   • 盐雾测试（NSS）：14次循环（12 h喷雾/12 h干燥）后，CA从154°降至99°，但150°C加热1小时可恢复至147°，证明结构可逆性。
     

主要结果
1. 表面结构与超疏水性
- 低扫描速度（v100）和小线间距（i50）产生珊瑚状微纳结构（图3a-c），纳米颗粒（ μm）密集分布，形成分级粗糙度，增强空气膜稳定性。
- 高扫描速度（v500）导致结构稀疏（图3g-i），CA降至131°，验证结构密度对润湿性的关键影响。

1. 耐腐蚀机制
   
   • 空气膜屏障效应：EIS分析表明，后热处理表面的空气膜（Rv=6.44×10⁴ Ω·cm²）阻碍电解质渗透，双电层电容（Cdl）降低至6.59×10⁻⁸ F/cm²。
     
   • 氧化膜保护：激光烧蚀生成致密氧化物膜（厚度为原始表面的3.3倍），进一步抑制Cl⁻侵蚀（方程式5-8）。
     

结论与价值
本研究提出了一种环保高效的黄铜表面处理策略：皮秒激光纹理化结合后热处理，无需化学涂层即可实现超疏水性与长效耐腐蚀性。其科学价值在于阐明了微纳结构参数（如SDR、高度分布）与润湿性/耐腐蚀性的定量关系；应用价值体现在海洋装备、热交换器等工业场景中，可延长部件寿命并降低维护成本。

研究亮点
1. 工艺创新：首次报道皮秒激光与低温热处理联用制备黄铜超疏水表面，工艺参数（i50v100）优化数据具指导意义。
2. 机制揭示：通过EIS和PDP证明了空气膜与氧化膜的协同防腐作用，填补了结构-功能关系的认知空白。
3. 耐久性验证：NSS测试证实表面结构的可恢复性，为动态腐蚀环境中的应用提供实验依据。

其他发现
激光能量吸收率受表面反射率调控，低线间距（i50）通过增加热影响区重叠，提升能量利用率（吸收率5.6×10⁵ W/cm²），为激光参数设计提供理论支持。