《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Parametric optimization and wetting mechanism analysis of picosecond laser-induced microstructures on ruby spheres
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红宝石探头通过皮秒激光微加工技术，结合焦点偏移补偿，制备六边形周期性微结构及次级纹理，优化参数（8W，50mm/s）实现高接触角（128°）和均匀表面形貌，有效提升抗粘附性能。
张小红|徐志成|文东东|史照耀|周子怡|荣文涛|谢杜瑶|艾哈迈德·穆罕默德·马哈茂德·易卜拉欣
湖南科技大学机械工程学院，岳阳，414006，中国
摘要
红宝石球尖探针由于其硬度和尺寸稳定性，在精密测量中至关重要，但在反复接触过程中会遭受粘附磨损。为了解决这个问题，我们开发了一种基于皮秒激光的表面微结构化技术，并结合了焦点偏移补偿，以提高红宝石探针表面的疏水性并减少粘附。我们借鉴了天然蜂巢的六边形图案，在每个六边形单元内形成了二次周期性表面纹理，这增强了局部表面粗糙度，有助于稳定Cassie-Baxter润湿机制。参数分析表明，适中的激光功率（8 W）和扫描速度（50 mm/s）可以产生均匀的微结构，使接触角达到128°。过高的激光能量会导致表面损伤并降低微结构的均匀性。本研究展示了一种有效的基于激光的方法，用于功能化红宝石探针，从而提高其疏水性和抗粘附性能。
引言
红宝石（Al2O3: Cr）因其优异的机械强度、化学稳定性和光学性能，在高精度测量和光学系统中被广泛使用。其高纯度、均匀性、硬度、耐磨性、光学透明度和热稳定性使其成为激光元件、精密传感器和测量探针的理想选择[1]。其中，红宝石球尖探针在坐标测量机和机器人磨料系统中特别受到重视，因为它们具有尺寸稳定性和耐磨性[2]。然而，与测试材料反复接触时产生的粘附磨损会降低它们的测量精度和使用寿命[3],[4]。
为了应对由粘附引起的磨损并可能提高抗粘附耐久性，表面功能化策略受到了广泛关注。通过调节润湿性来修改表面形态和界面能量是一种有效的方法。例如，Chen等人[5]证明，砂轮上的脉状微结构可以优化流体动力学流动，减少界面粘附并提高自清洁和抗污染性能。同样，Zhang等人[6]将粗糙微结构与低表面能材料结合使用，以提高抗污染和耐磨性。Huang等人[7]报告称，在激光纹理化的超疏水镍表面上，高接触角可以减少反复接触时的粘附和磨损。这些发现表明，对红宝石探针表面进行疏水改性可以通过降低界面能量耗散来减轻粘附磨损并提高测量稳定性。
在各种表面能降低技术中，激光诱导的微/纳米结构在耐久性、环境稳定性和加工控制方面具有明显优势。传统涂层可以提供疏水、疏油和抗腐蚀性能，但它们通常在恶劣条件下会遭受热不稳定、机械降解和环境问题[8],[9]。相比之下，激光加工是一种非接触式热处理技术，能够实现精确的表面纹理化和抛光[10]。激光处理更清洁，适用于多种材料，并且具有高空间分辨率，非常适合像红宝石探针这样的硬质曲面[11]。基于激光的结构化还可以创建受莲花叶或昆虫翅膀启发的仿生纹理，以控制润湿性、摩擦力和生物相容性，而无需额外涂层[12],[13]。凭借高空间分辨率和可编程的路径控制，激光结构化已成功应用于微流控、生物医学界面和航空航天防污表面等领域[14]。最近的研究，如Lang等人[15]和Liu等人[16]的研究，展示了激光处理通过控制拓扑结构和表面能调节来提高表面疏水性和耐磨性的能力。此外，皮秒激光的超快脉冲宽度和高峰值功率允许在亚热区去除材料，最小化热影响损伤，使其非常适合红宝石等脆性基底[17],[18]。
大多数现有的关于表面功能化的研究主要集中在平面基底上，以减轻与粘附相关的磨损。相比之下，将这些功能化策略扩展到曲面仍然相对有限。即使在少数关于曲面几何形状的研究中，主要关注的是工艺优化，而不是系统地研究微结构形态如何控制表面功能，特别是润湿性和粘附行为[19]。对于红宝石球尖探针来说，这种差距由于材料和几何形状的内在限制而更加明显。探针直径小、曲率连续变化以及红宝石的光学透明度给激光表面纹理化带来了重大挑战，包括焦点偏移、能量沉积不均匀和微结构形成不稳定。因此，选择合适的表面纹理图案对于在球形探针表面上实现均匀且功能有效的微结构至关重要。在这种情况下，受自然启发的蜂巢结构在曲面功能化方面具有明显优势。由于其高度对称性、结构稳健性和高效的表面覆盖能力，蜂巢图案非常适合适应曲率引起的几何变化。更重要的是，它们固有的捕获空气和减少有效固液接触面积的能力使其与疏水表面设计高度兼容。Guo等人[20]证明，通过调节孔径和结构几何形状，蜂巢状微结构可以有效地调节液固界面粘附，突显了它们在控制润湿性方面的适用性。此外，Wang等人[21]报告称，通过激光诱导的微结构增强表面疏水性可以抑制粘附相互作用并通过减少实际接触面积来提高耐磨性能。这些发现直接支持了本策略，即利用受蜂巢启发的微结构来提高表面疏水性，作为提高红宝石球尖探针抗粘附和耐久性能的潜在途径。
在本研究中，使用针对球形几何形状定制的皮秒激光处理和焦点偏移补偿，在红宝石球尖探针表面制造了受蜂巢启发的微结构。构建了六边形表面拓扑，以便在曲面红宝石基底上实现可控的微结构形成。采用正交实验设计系统地研究了激光处理参数、表面形态和润湿性之间的关系。定量分析了激光功率和扫描速度对微结构均匀性和静态接触角的影响。结果表明，这是一种有效的基于激光的功能化红宝石探针表面的策略，并为通过微结构调节润湿性以减少与粘附相关的相互作用提供了见解。
工件参数
本研究中使用了直径为5.00 mm的合成红宝石球。红宝石的材料属性总结在表1中。激光处理在每个红宝石球顶部的2.50 mm直径圆形区域内进行。
纹理设计
为了提高红宝石探针的表面功能，设计了六边形晶格微结构。每个蜂巢图案单元的直径为0.23 mm，间距为0.28 mm。红宝石球被划分为同心区域，每个区域
单激光参数的结果与分析
随着激光重复频率的增加，单脉冲能量减小，而相邻脉冲之间的时间和空间重叠变得更加明显，从而促进了照射表面的热量积累[22]。相反，在较低的重复频率下，烧蚀过程由较高的单脉冲能量主导，导致更有效的材料去除和有限的热量积累。在研究的60-200 kHz频率范围内，表面
结论
本研究开发了一种基于皮秒激光的微结构化技术，结合了分层焦点补偿，在红宝石球尖探针表面上构建了受蜂巢启发的微/纳米结构，旨在提高表面疏水性和抗粘附性能。基于形态学表征和润湿性测量，主要发现如下：
- (1)
所提出的激光策略成功在曲面红宝石上制造了六边形排列的蜂巢拓扑结构
未引用的参考文献
[32], [33], [34], [35]
CRediT作者贡献声明
张小红：概念构思。史照耀：资金获取。周子怡：方法学。徐志成：数据管理。文东东：形式分析。谢杜瑶：软件。艾哈迈德·穆罕默德·马哈茂德·易卜拉欣：监督。荣文涛：项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号52227809）、湖南省科技创新计划（项目编号2024RC1066）和湖南省科技创新计划（项目编号2024WZ9017）的支持。此外，还得到了湖南省高等学校科技创新研究团队援助计划（高性能制造工艺和服务性能优化）的支持。
