铜基底皮秒激光表面织构化：提升硅酸镁羟基固体润滑涂层的界面粘附与摩擦学性能

《Lubricants》：Picosecond Laser Surface Texturing on Copper Substrates: Boosting Interfacial Adhesion and Tribological Performance of Magnesium Silicate Hydroxide-Based Solid Lubricant Coatings Bo Gao, Hanzhi Yao, Qiuying Chang, Ruizhe Li, Zhongnan Wang, Xiangli Wen, Pengpeng Bai, Bin Wang and Zhenyu Tian

　　

在沉积硅酸镁羟基（magnesium silicate hydroxide, MSH）/石墨/MoS₂–聚酰亚胺（polyimide, PI）固体润滑涂层之前，研究人员采用皮秒激光表面织构化（picosecond laser surface texturing, PLST, 532 nm）对金属基底进行预处理，以构筑界面微沟槽从而优化摩擦学性能。通过调控PLST参数（平均激光功率：0.2–0.5 W，扫描次数：3–5，扫描间距：0.005–0.1 mm），研究人员制备了三种具有代表性的织构几何形貌（线型、圆型和方型），并将其涂层性能与常规机械抛光及喷砂预处理进行了比较。在三种激光织构中，线型织构表现出最优异的摩擦学性能和界面粘附性能，优于圆型和方型对应样品。在煤油污染环境下（10 N，800 rpm）的球-盘摩擦试验表明，线型织构样品的稳态摩擦系数最低（0.038），低于抛光（0.048）和喷砂（0.052）对照组，同时磨损斑尺寸减小。渐进载荷划痕试验显示界面粘附显著增强，其中线型织构界面的临界失效载荷从抛光处理的7.05 N提升至26.05 N，高于圆型（21.21 N）和方型（23.78 N）织构。截面显微镜观察和能量色散X射线光谱（energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS）面分布分析揭示，激光定义的微沟槽（~15 μm深度，~120 μm宽度，~500 μm间距）作为一种参数可控的界面构型，促进了机械互锁并提供了富润滑剂储库。这种激光赋能的界面设计抑制了涂层剥落，保障了转移膜（transfer film）稳定性，最终通过降低摩擦与磨损增强了涂层的摩擦学性能。

**研究背景与问题提出**

摩擦与磨损是导致能量耗散和机械失效的关键因素，据估计全球约三分之一的能源消耗于摩擦，而70%的大型机械部件失效由磨损引起。固体润滑技术通过在摩擦表面形成边界润滑膜来减少直接接触，已成为高温、高压、真空等极端工况下的可靠解决方案。然而，常规固体润滑涂层普遍存在与基底结合强度不足以及在重载高速等严峻条件下摩擦学性能欠佳的问题。受生物非光滑表面启发，表面织构化技术通过在材料表面制备特定图案和尺寸的微结构来增强摩擦学性能。当与固体润滑涂层结合时，表面织构可实现润滑剂的储存与释放，改善涂层与基底的结合状态，协同提升耐磨损性能。在众多表面织构加工方法中，激光加工因其高精度和材料适应性而脱颖而出。超快（皮秒/飞秒）激光织构化可实现最小热影响区的灵活微图案化，特别适用于热敏感金属基底的表面形貌调控。激光定义的微织构可作为微储库、磨屑陷阱和润滑剂卷吸通道，同时通过机械互锁强化涂层/基底界面。尽管已有上述优势，现有皮秒/飞秒激光织构化的摩擦学研究主要集中于传统润滑体系及清洁（干摩擦或油润滑）环境。硅酸镁羟基（MSH）作为一种新型无机层状固体润滑剂，具有优异的层间滑移行为和化学稳定性，在复合涂层中展现出良好的减摩性能。该研究旨在揭示PLST与MSH基涂层在煤油污染条件下的协同效应，识别铜基底的最优织构几何形状，建立皮秒激光加工、界面构型与涂层性能之间的清晰关联，为严峻滑动环境下固体润滑涂层可靠性提升提供激光赋能的途径。

**研究方法与关键技术**

该研究采用的关键技术方法包括：皮秒脉冲激光系统（波长532 nm，脉宽10 ps，重复频率100 kHz）进行表面织构化预处理，通过振镜扫描原位写入微沟槽；大气等离子喷涂工艺制备MSH基复合固体润滑涂层；球-盘旋转摩擦磨损试验机（Rtec MFT-3000）进行摩擦学测试，采用9.6 mm轴承钢球作为对磨材料，在煤油污染环境下进行10 N、800 rpm等条件下的测试；配备EDAX探测器的Helios G4 PFIB CXe双束工作站进行截面形貌观察与EDS元素面分布分析；以及Rtec SMT-5000纳米划痕仪进行渐进载荷划痕测试（0–50 N，金刚石Berkovich压头），以定量评估涂层-基底界面粘附强度。

**研究结果**

**固体润滑涂层表征**

研究人员对机械抛光（Coating-P）、喷砂（Coating-S）和皮秒激光织构化（Coating-T1）三种基底预处理后的涂层进行了微观结构和化学成分分析。100倍和1000倍放大下，所有涂层表面均相对平滑，保留有后处理抛光的规则划痕。EDS元素面分布显示：Mg、Si、O元素呈大面积聚集分布，而Mo、S、C元素呈精细分散图案，表明MSH组分在复合材料中倾向于形成聚集体，而MoS₂和石墨在基体中分散更均匀。截面观察证实激光写入的沟槽几何形貌在基底界面处得以保留：线型织构中心深度约15 μm，表面宽度约120 μm，由于皮秒激光烧蚀特性及边缘堆积效应，沟槽边缘处深度略有增加，相邻织构间距约500 μm。元素线扫描分析揭示，MSH的特征元素（Mg、Si、O）和MoS₂的Mo/S元素分布于沟槽区域和涂层基体中，而石墨的碳信号相对较低。这些结果证实了不同润滑相的分布特征，并表明沟槽区域可作为嵌入涂层-基底界面构型中的相富集储库。

**摩擦学与磨痕表征**

在10 N、800 rpm条件下，三种涂层均呈现典型的"跑合-稳定"磨损特征。Coating-T1表现出最优的减摩性能，稳态摩擦系数仅为0.038，显著低于Coating-P（0.048）和Coating-S（0.052）。磨痕截面轮廓分析显示，Coating-T1表面形貌最光滑，高频划痕峰数量明显减少；对应球样磨斑直径（322.8 μm）较Coating-P（342.3 μm）和Coating-S（344.2 μm）减小约6%。磨痕形貌观察表明：Coating-P磨损最严重，磨痕区域出现明显材料剥落和网络状微裂纹，表明材料经历了脆性断裂和局部剥落；Coating-S磨损显著减轻，但仍存在局部短裂纹和塑性变形导致的材料涂抹；Coating-T1磨损特征最优，磨痕边界模糊，表面几乎无可见剥落，高倍成像确认涂层结构致密，无明显裂纹或剥落。

三种微织构形貌（线型、圆型、方型）的系统对比研究表明，在500、800和1000 rpm转速下，线型织构涂层始终表现最佳摩擦学性能，稳定平均摩擦系数介于0.045–0.053，显著低于方型和圆型织构。值得注意的是，当转速增至1000 rpm时，圆型织构（Coating-T2）和方型织构（Coating-T3）涂层分别在8.6×10³和2.1×10³循环后摩擦系数急剧上升，表明涂层失效和基底暴露；而线型织构涂层即使在严峻滑动条件下仍保持稳定的摩擦性能。

**机制分析**

渐进载荷划痕测试（0–50 N）结果显示，随着载荷增加，三种涂层摩擦系数均先升至约0.3的峰值，随后在某一范围内波动。Coating-P在载荷达7.05 N后几乎完全从铜基底剥落，摩擦系数稳定在0.25–0.30。Coating-S摩擦系数高频波动，与其喷砂引入的密集微凸体相关，尽管算术平均粗糙度（Ra）相当，但其峰谷高度（Rz/Rt）达数十微米量级，导致润滑剂保持不连续和局部铜区域频繁暴露，最小摩擦系数维持在0.20–0.25。Coating-T1则利用设计的微沟槽（深度~15 μm，宽度~120 μm，间距~500 μm）提供更有效的相保持和沿划痕/滑动方向的补充路径，后期最小摩擦系数降至0.15–0.22。基于涂层剥落暴露铜基底的判据，Coating-P、Coating-S和Coating-T1的界面粘附强度分别确定为7.05 N、15.85 N和26.05 N。圆型织构在21.21 N时开始剥落，方型织构在23.78 N时剥落，均低于线型织构。

划痕后Coating-T1近基底暴露区域的形貌和元素分布分析显示，尽管涂层受压头作用严重损伤，Mg、Si、O、Mo、S、C等元素仍粘附于铜基底表面，表明润滑相可保留于设计的表面织构中并在滑动/划痕过程中持续补充，从而促进摩擦稳定化并抑制灾难性剥落。结合增强的临界载荷和降低的磨损损伤形貌，整体机制可概括为：皮秒激光诱导微沟槽通过（i）涂层-基底界面机械互锁和（ii）润滑相储存/输运，共同增强粘附性和摩擦学耐久性。

从接触力学角度，10 N下名义Hertzian接触压力为1.05 GPa。微沟槽的存在改变了应力分布：沟槽边缘的应力集中增强了机械互锁，而降低的真实接触面积减少了有效摩擦。在载荷作用下，对偶表面发生局部弹性变形，将涂层材料压入微沟槽形成机械锚固。循环滑动还将固体润滑剂从沟槽泵送至界面。皮秒激光制备的线型微沟槽作为参数可控的界面构型，（i）提供机械互锁，延缓裂纹萌生和剥落；（ii）作为富相储库，持续向滑动接触供应润滑剂。跑合期间，储存的润滑剂逐渐释放，促进稳定转移膜的形成和摩擦稳定化。在煤油污染条件下，沟槽还促进润滑剂卷吸并缓解饥饿效应。界面强化与润滑剂保持的协同作用解释了Coating-T1的低摩擦和高粘附性能。

研究也指出上述结果限于测试条件（载荷、速度、对偶材料和煤油污染），更广泛的适用性有待验证。全干摩擦下缺乏流体辅助输运可能降低沟槽储库的润滑剂补充效率，潜在缩短磨损寿命；油润滑环境下微沟槽可能额外促进流体动压效应，但与固体润滑剂的兼容性需进一步研究。

**研究结论**

该研究聚焦于铜基底上含MSH固体润滑涂层的制备，研究了皮秒激光基底织构预处理对摩擦系数、磨损行为和涂层-基底粘附的影响。煤油污染环境下的球-盘试验表明，与传统机械抛光和喷砂相比，织构预处理显著降低了稳态摩擦系数并改善了耐磨性。纳米划痕测试进一步证明涂层失效临界载荷明显提高，表明界面粘附得到增强。这一改善主要归因于（i）设计微沟槽促进的机械互锁和（ii）润滑相的储存与持续释放/补充。此外，研究揭示了织构形状对摩擦学性能的显著影响：在三种研究的几何形状（线型、圆型和方型）中，线型微沟槽提供最稳定的摩擦和最高的粘附。这些发现支持将织构基底预处理作为提升严峻滑动条件下固体润滑涂层可靠性的有效策略，并为织构形状优化提供指导。从摩擦学优化角度，结果突出表明：设计良好的界面微织构（通过无掩模、可控且热影响有限的皮秒激光加工制备）对于调控涂层粘附和摩擦学稳定性至关重要。该论文发表在《Lubricants》。