亚零度温度下激光诱导不锈钢周期性表面结构的摩擦减小作用

《Optics & Laser Technology》：Laser-Induced periodic surface structures on stainless steel for friction reduction at Sub-Zero temperatures

　　

论文摘要翻译
本研究评估了在不锈钢 Uddeholm Ramax HH 上形成的纳秒激光诱导周期性表面结构(LIPSS)的摩擦行为，以研究其在冰面上的滑动性能。样品通过表面纹理分析、接触角测量、拉曼光谱(Raman Spectroscopy)、扫描电子显微镜(SEM)和 X 射线衍射(XRD)进行研究。表面分析显示，激光纹理化样品呈现微/纳米几何结构，具有明显的波状特征，并辅以低空间频率 LIPSS。冰面摩擦实验结果表明，在低滑动速度(0.05?m/s)下，激光辐照表面摩擦系数(CoF)降低约 75%，从约 0.20 降至约 0.05，并且在实验误差范围内对滑动速度(0.05–0.38?m/s)和施加正载荷(20–80?N)依赖性较弱。这种降低归因于微/纳米 LIPSS 形貌与 Fe2O3/Fe3O4 氧化物形成的联合作用，从而降低了冰界面附着力。结果表明，激光诱导纹理提供了一种高效、环保的策略，可优化不锈钢在亚零度条件下的摩擦性能。

论文解读（约1500字）

本研究背景聚焦于亚零度环境下表面优化的复杂性及未充分研究领域。冰雪条件下的摩擦性能优化在建筑、交通设施、风力发电机叶片以及航空器翼面防冰中具有重要意义，同时对于冬季运动器材如雪橇、钢架雪橇和滑冰等的性能优化亦有直接应用价值。然而，现有表面处理方法通常依赖对环境有害的化学试剂，长期来看不可持续。激光表面纹理化，尤其是激光诱导周期性表面结构(LIPSS)，提供了一种环保、可精确控制表面结构、形貌及相组成的方法，从而影响润湿性、附着力、摩擦和磨损性能。

研究人员针对纳秒激光在 Uddeholm Ramax HH 不锈钢上形成 LIPSS 的摩擦特性进行了系统研究。这种钢材在冬季运动中具有关键应用，能够承受湿冷及周期性湿干条件。研究通过纳秒 Nd:YAG 激光在不同激光强度下形成低空间频率 LIPSS(Λ≈996–1027 nm)，并结合微米级和纳米级结构特征进行表征。表面分析手段包括高分辨场发射扫描电子显微镜(FESEM)、3D 表面轮廓仪、微拉曼光谱、X 射线衍射(XRD)及接触角测量，冰面摩擦性能则通过模块振荡摩擦仪在多种滑动速度(0.05–0.38 m/s)及正载荷(20–80 N)下进行测试。研究目的是建立微/纳米纹理、激光诱导氧化及冰摩擦性能间的系统性关联，以期实现速度独立的低摩擦表现。

研究采用的关键技术方法包括：纳秒脉冲 Nd:YAG 激光 LIPSS 制备，通过线性扫描策略形成均匀纹理；FESEM 结合焦点离子束(SEM-FIB)进行微纳米结构成像；3D 轮廓仪测量微米尺度表面纹理参数(Sa、Sdq、Sdr、Sk、Spk、Svk)；拉曼光谱检测表面氧化物(Fe2O3/Fe3O4)；XRD 与 GI-XRD 分析晶体结构及表面氧化物形成；接触角测量用于表面润湿性分析；冰摩擦实验在控制温度和湿度条件下测量 CoF。样品均采用 Uddeholm Ramax HH 制备，反映实际冬季运动材料应用条件。

研究结果显示，FESEM 分析揭示 LIPSS 形成清晰周期性波纹，随激光强度增加，波纹更为规整突出。3D 表面纹理分析显示高强度激光处理样品微结构粗糙度增加(Sa、Sdq、Sdr 增加)，峰谷比(Spk+Svk)/Sk 提升，表明表面具有明显的微米级峰谷特征。拉曼光谱显示高强度激光处理导致 Fe2O3 和 Fe3O4 氧化物生成增强，氧化层厚度及均匀性提升。XRD 测量结果进一步证实表面氧化物的形成及晶格参数变化，提示激光辐照可诱导微结构及化学组成改性。接触角测量显示，激光处理样品水接触角略升高，表明表面润湿性下降，微/纳米粗糙度及氧化物层共同增强疏水性。

冰摩擦实验表明，激光处理表面摩擦系数显著降低，低滑动速度下(0.05 m/s) CoF 可降至约 0.05，比未处理参考样品降低约 75%。激光强度较低样品(L1.1)摩擦性能仍受滑动速度影响，而高强度样品(L1.2、L1.3)对滑动速度及载荷敏感性较小，实现速度独立低摩擦效果。摩擦减小机理归因于微/纳米 LIPSS 减少实际接触面积，以及 Fe2O3/Fe3O4 氧化物降低冰界面附着力。滑动速度增加时，摩擦逐渐由粘附控制向熔融薄膜内的黏性剪切控制过渡，峰谷结构有效降低局部应力集中，减少粘附与划痕效应。整体而言，高强度激光处理可提供在亚零度条件下可重复、稳定、低摩擦的表面性能。

讨论与结论部分指出，纳秒激光诱导 LIPSS 是实现不锈钢在冰面上摩擦优化的有效策略。微/纳米几何结构与表面氧化物协同作用，使摩擦系数在低滑动速度及低载荷下实现显著下降，同时提高对速度和载荷变化的适应性。该技术具有环保优势，相较传统化学处理方法可减少有害物质使用，并可推广至冬季运动装备及工业防冰应用。论文发表于《Optics》，为未来激光表面纹理化在低温摩擦控制领域提供实验依据及理论指导。