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工业制造

飞秒激光赋能超疏水:破解风电叶片结冰、海洋装备腐蚀难题

激光制造网 来源:宁波材料技术与工程研究所2025-12-10 我要评论(0 )   

本文作者:王吉,中国科学院宁波材料技术与工程研究所副研究员。主要从事光场调控、激光微/纳米加工、宽禁带半导体材料功能结构制备的研究。近年来承担国家自然科学基金...

本文作者:王吉,中国科学院宁波材料技术与工程研究所副研究员。主要从事光场调控、激光微/纳米加工、宽禁带半导体材料功能结构制备的研究。近年来承担国家自然科学基金青年项目、中国科学院先导子课题等多项国家科研项目。累计发表SCI论文20余篇;申请国家发明专利20余项,已授权16项。



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在风力发电、海洋工程等高端领域,玻璃纤维增强树脂(GFRP)凭借 “轻质高强 + 耐腐蚀” 的双重优势,成为风电叶片、海洋装备的核心材料。但它的 “亲水短板” 却成了长效服役的 “隐形杀手”—— 在海上高湿环境中,GFRP 易吸水腐蚀,缩短装备寿命;在低温风电场景下,表面结冰会增加叶片载荷,甚至引发安全事故。


破解这一难题的关键,正是超疏水表面(SHS)技术。这项受 “荷叶效应” 启发的技术,通过 “微纳结构 + 低表面能” 的组合,让水接触角>150°,实现自清洁、防结冰、抗腐蚀的多重功能。但传统技术始终面临瓶颈:化学气相沉积需高温真空,模板法易磨损,而激光加工虽在金属、陶瓷领域表现出色,面对 GFRP 这类热敏感树脂基材料时,却常因 “过度烧蚀、结构失控” 难以突破。


如今,中国科学院宁波材料技术与工程研究所激光极端制造研究中心王吉副研究员团队,在《Nanomaterials》期刊 “Advanced Laser Manufacturing: Preparation of Functional Nanostructures and Synthesis of Nanomaterials” 特刊(特刊网址:https://www.mdpi.com/journal/nanomaterials/special_issues/XE64K9KQ33)上发表的最新研究,用飞秒激光技术打破了这一僵局!


论文速递

核心创新:多脉冲网格状点蚀刻(MP-GPE)

团队提出的飞秒激光多脉冲网格状点蚀刻(MP-GPE)方法,无需额外化学涂层或高温退火,仅通过 “激光精准雕刻 + 简单硅烷改性”,就在 GFRP 表面构建出稳定的微纳分级凹孔阵列 —— 这种结构能锁住空气形成 “气室”,大幅减少固 - 液接触面积,最终实现160.6° 的超疏水接触角,与理论计算值 161.6° 几乎完全吻合,可靠性拉满!


关键成果:参数可控,性能达标


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不同激光能量下凹孔阵列表面:(a-e) 60个脉冲,单脉冲能量分别为5、10、15、20、25 µJ;(f-i) 40个脉冲,单脉冲能量分别为5、10、15、20和25 µJ。图片来源:Nanomaterials 2025, 15(4), 287


最优工艺参数:单脉冲能量 25 μJ、蚀刻脉冲数 60 时,GFRP 表面凹孔深度达 63 μm,上表面宽度约 33 μm,此时疏水性最佳;


抗热损伤优势:通过参数调控,有效抑制树脂过度烧蚀和玻璃纤维暴露断裂(能量<30 μJ、脉冲数<80 时表现稳定);


理论支撑:建立接触角预测模型,通过 6 μL 液滴计算得出固 - 液接触面积占比仅 2.28%,验证了 “气室锁水” 机理的科学性。


核心光源:FemtoCore Glow 系列飞秒激光器

传统激光加工 GFRP 时,因脉冲宽、热扩散范围大,极易导致树脂分解、纤维断裂;而华日激光飞秒激光的 “超短脉冲 + 高能量密度” 特性,恰好成为解决这一问题的 “金钥匙”,这也是研究能突破技术瓶颈的核心原因。


1. 超短脉冲(<290 fs to 8 ps):精准控热,避免过度烧蚀

飞秒激光的脉冲宽度仅为 10⁻¹⁵秒级别,能量能在瞬间聚焦于 GFRP 表面微区,几乎不产生热扩散 —— 实验显示,当单脉冲能量≤25 μJ 时,树脂仅在凹孔区域被精准去除,相邻梁结构保持完整;而传统激光即使能量更低,也会导致周边树脂重熔、纤维暴露。


2. 参数可调:定制化构建微纳结构

通过调节 “单脉冲能量+ 脉冲数”,可精准控制凹孔的深度、宽度和表面粗糙度。这种 “可控性” 让飞秒激光能为 GFRP “量身定制” 超疏水结构,而传统方法根本无法实现如此精细的调控。


3. 流程简化:无需额外处理,适配工业化

相比需要高温退火的溶胶 - 凝胶法、依赖模板更换的模板法,飞秒激光 MP-GPE 技术仅需两步:①激光蚀刻凹孔阵列;②硅烷溶液改性降低表面能。整个过程无污染物排放,且加工效率高,为后续风电、海洋领域的规模化应用奠定了基础。


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华日激光 FemtoCore Glow 系列光纤飞秒激光器。


结 语

王吉研究员团队的这项研究,不仅提出了一种 “高效、可控、环保” 的 GFRP 超疏水制备技术,更解决了热敏感树脂基材料激光加工的核心难题。对于风电领域,它能让叶片在低温环境下避免结冰,提升发电效率;对于海洋装备,它能阻止海水腐蚀,延长服役寿命。未来,随着这项技术的工业化落地,GFRP 材料将在更多高端领域 “大显身手”,而飞秒激光的 “精准制造” 能力,也将为功能材料改性开辟更多可能。

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