激光技术改变材料微观结构，帮助减少对工业化学处理依赖

　　对于车辆和飞机，采用防腐蚀保护材料对于在极端操作条件下保证其结构完整性至关重要。当前在工业环境中广泛使用两种化学预处理工艺，为涂层附着力做准备和保护铝合金表面免受腐蚀。虽然受到严格监管，但这两个过程都使用了大量有害的化合物。

　　美国能源部橡树岭国家实验室的一个研究团队应用激光干涉结构（LIS）技术，在消除对化学品的需求方面取得了重大进展。LIS 方法的新应用也为美国国防部找到了替代解决方案，以代替在军用车辆和飞机系统上使用化学品作腐蚀保护。

　　铬酸盐转化涂层或CCC 使用六价铬（一种已知的致癌物质）抑制腐蚀。硫酸阳极氧化（SAA）使用了硫酸，也会严重刺激皮肤和眼睛，吸入后会导致永久性肺损伤。每年有数百万加仑用过的化学溶液作为危险废物进行处理。

　　美国军方目前拥有超过12000架飞机、10000辆坦克、数百艘舰艇以及多种其他车辆和武器系统。国防部拥有数百个制造和维修车辆和设备的工业设施，每年在腐蚀防护方面的支出超过了200 亿美元。此前，该机构的战略环境研究与发展计划与能源部和环境保护局一起参与了研究项目，专注开发替代技术以消除对环境产生有害影响的材料和工艺。

　　在已经发表的三篇论文中，橡树岭国家实验室材料科学家Adrian Sabau 和他所在的研究团队描述、演示和分析了LIS 技术，并将其性能与传统方法进行了比较。 Sabau 专门从事金属铸造和凝固等材料加工，团队最近完成了一个使用LIS 进行汽车应用粘合的项目。

　　实验中，研究团队通过将脉冲纳秒激光的主光束分成了两束，并将它们聚焦在试样表面的同一点上处理铝合金板。该过程使具有周期性结构的表面变得粗糙，改变表面的化学性能和亚表面的微观结构。

　　“在激光加工中，在材料的顶部表面会产生大量能量，我们需要了解基材发生了什么。它是否损坏？它是否开裂？是否有任何对腐蚀保护无益的微观结构影响？”Sabau 说。

　　团队中的物理化学家和显微镜学家为光学和激光技术中概述的表征工作做了贡献，他们使用 X 射线光电子能谱，或者用XPS 进行表面化学分析。XPS 是一种材料表征技术，可以确定固体材料表面（顶部5纳米到8纳米）上的元素。在激光加工前，XPS 用于确定收到的铝合金板的化学成分，显示出大量的碳。

　　再次使用XPS 确定激光加工是否清洁了表面。结果显示，显著减少碳是团队成员的主要发现之一。XPS 以及电子显微镜结果，帮助他们了解原始氧化物是如何通过激光加工而改变的。清洁铝合金板后，表面通常会阻止涂层实现正确粘附，这是工业表面涂层中的一个已知问题。

　　技术人员Mike Stephens 按照国防部的要求，在经过不同处理的合金板上喷涂上了底漆和面漆。然后，他将样品暴露于2000 小时的盐雾中，以检查合金板在多个时期表现的耐腐蚀性。期间，团队研究了LIS 制备的表面与传统制备的合金基材相比如何，无论是否有底漆和面漆。

　　结果表明，经过激光干涉处理的基材表现出更高的耐腐蚀性。然而，在涂有底漆或底漆和面漆的样品上，经过LIS 处理的零件没有达到预期的效果，一些样品在盐雾暴露96 小时内出现了气泡。然而，这些水泡很小并且在数百小时的暴露中保持稳定。

　　该团队测试了第二组样品，在涂底漆之前简单地用丙酮擦拭，导致腐蚀很小，并且气泡的形成延迟了数百小时。但研究团队仍然对这一技术有信心，这项技术是朝着非化学密集型涂层表面制备迈出的一大步。