《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Femtosecond laser fabrication of sub-spot-scale porous metallic surfaces
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本研究提出飞秒激光加工策略，突破传统衍射极限，实现金属表面亚微米级多孔结构批量制备。通过调节激光功率、扫描频率等参数，在不锈钢、钛合金等材料上成功制备孔径3-5.5μm的孔隙结构。该多孔表面经润滑剂浸渍后形成疏液表面（SLIPS），其动态防粘性能（血液滴液反弹）显著优于传统超疏水表面，为防污和生物医学应用提供新方法。
陆龙生|寇金伟|胡成阳|沈鹏宇|王龙|邢迪|李凯凯
华南理工大学机械与汽车工程学院，广州，510641，中国
摘要
多孔金属表面因其在先进功能界面中的应用而受到越来越多的关注；然而，传统的激光钻孔技术受到光学衍射和点对点加工固有的低吞吐量的根本限制。本文提出了一种一步法飞秒激光加工策略，能够在金属基底上批量制造亚斑点尺度的多孔结构，有效克服了衍射极限。通过系统调节激光功率、扫描周期、激光频率和扫描速度，实现了从激光诱导的周期性表面结构到密集分布的多孔结构的可控形态转变。机制分析表明，孔洞的形成源于表面等离子体极化子干涉引起的空间周期性能量沉积与局部近场增强驱动的相位爆炸的协同作用。该策略的通用性已在不锈钢、钛合金和镁合金上得到验证。在不锈钢上，使用直径约为24微米的激光斑点，可重复制造出特征直径为3.0–5.5微米的可控多孔结构，显著超越了传统衍射极限的分辨率。此外，所制造的多孔表面被用作润滑剂储库，构建了润滑液浸润的多孔表面（SLIPS）。对血液滴冲击动力学的比较研究表明，SLIPS表现出显著优于超疏水表面的动态抗粘附性能；尽管静态疏水性较低，SLIPS的液-液界面促进了液滴的反弹并减少了能量耗散。这项工作为工程化多孔金属基底提供了一条有效途径，并展示了其在抗污染及相关应用中的潜力。
引言
多孔金属表面由于其广泛的应用前景而备受关注，包括可控润湿性的自清洁表面[1,2]、蒸汽室的高效热管理[3,4]、航空航天部件[5,6]以及生物医学植入物[7,8]。它们的功能优势源于其内在的结构特性，如高比表面积[9]、低密度[10]、良好的生物相容性[11]和显著的渗透性[12]。迄今为止，已经开发了几种制造多孔金属结构的方法，最著名的是粉末冶金[13,14]、增材制造[15,16,17]、合金分解[18,19]和激光加工[20,21]。粉末冶金仍是一种成熟且广泛采用的技术，通过调节金属粉末尺寸、造孔剂含量和烧结参数[22]，可以实现可控的孔隙率和孔径分布。然而，它依赖于基于模具的压实过程，这限制了几何复杂性，并且通常需要较长的生产周期。此外，固有的孔结构可能成为应力集中器，导致机械性能普遍低于完全致密的对应材料。增材制造能够在接近净形状的情况下制造出复杂几何形状的多孔结构[23]，特别是在小尺度上。尽管有这些优势，该过程常常受到系统复杂性高、需要支撑结构以及残余未熔化粉末问题的限制。合金分解利用合金成分的物理化学性质差异，通过化学或电化学溶解选择性地去除特定元素[24]，为多孔金属提供了另一种途径。然而，其适用性受到高熔点或高反应性金属的限制，通常需要额外的预处理步骤[25]。相比之下，激光加工利用高能量密度光束在金属表面快速局部沉积能量[26]。通过光热[27]或光化学[28]相互作用，被照射的材料发生可控的熔化或蒸发，从而实现精确的表面烧蚀和孔洞形成[29]。这种方法具有几个显著优势：(i) 材料适用范围广[30,31,32]，包括有效处理反应性金属[33,34]和难熔高熔点金属[35]；(ii) 高加工灵活性[36]，允许局部加工和可调的孔形态；以及(iii) 非接触操作[37]，消除了机械载荷并最小化了化学污染。
尽管有这些优点，传统的长脉冲激光加工也存在固有的局限性。首先，相关的热影响区（HAZ）可能会影响加工精度，甚至引发微裂纹[38]。其次，可实现的精度受到光学衍射极限的限制[39]。如图1a所示，根据瑞利准则[40]，最小特征尺寸（加工分辨率R）表示为R = 0.61 λ NA
为了规避这些持续的瓶颈，本研究提出了一种基于飞秒激光的策略，用于在金属表面上高吞吐量批量制造亚斑点尺度的多孔结构。选择飞秒脉冲而不是传统的纳秒或皮秒脉冲，是因为它们具有超高的峰值功率和极短的脉冲持续时间，这为在各种材料上工程化高精度功能表面提供了内在优势[43,44]。这些特性使得光与物质的相互作用方式与众不同（图1c）[45]，这与双温度模型[46]一致：
