上海工程技术大学&英国华威大学&江苏科技大学《Optics & Laser Technology》综述：飞秒和纳秒激光加工块状金属玻璃（BMG）的研究现状

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第一作者：张微林

通讯作者：张培磊

通讯单位：上海工程技术大学

DOI：https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2023.109812

1. 论文导读

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近日，上海工程技术大学材料科学与工程学院张培磊教授团队，在Optics & Laser Technology发表题为“Research status of femtosecond lasers and nanosecond lasers processing on bulk metallic glasses (BMGs)”的综述论文。该论文结合作者团队多年的经验与成果，全面回顾了飞秒激光和纳秒激光在金属玻璃表面的加工现状，包括但不仅限于激光与材料相互作用机制、表面微纳结构的制备、对于不同材料性能的提升等。

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2. 全文概述

近年来，激光加工对金属玻璃进行表面改性的研究工作越来越多，表明激光与金属玻璃表面的相互作用很有趣。短脉冲激光和超短脉冲激光加工因其脉冲宽度窄、能量密度高、对材料作用时间短而在该领域最为突出。特别是飞秒激光器和纳秒激光器为金属玻璃（BMGs）的高质量、高效率和低损耗加工提供了巨大的可能性。本文综述了这一特定研究领域，介绍了金属玻璃的性质和应用，飞秒激光器和纳秒激光器的加工特性，并从微观角度解释了激光与金属玻璃之间的复杂过程。此外，本文还分析了微纳结构和宏观形貌，并讨论了微观机理对结构的影响。另一方面，还讨论了微纳结构的性能，包括力学性能、光学性能、润湿性和生物相容性，这对金属玻璃的表面功能化具有重要意义。

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3. 图文解析

a.飞秒激光

图1.分子动力学模拟显示了超短激光照射下Zr-Cu金属玻璃表面纳米空腔的发展，峰值能量F=0.06J/cm2和一次激光射击。辐照模拟开始后165ps纳米孔周围温度和c压力的演变。

图2.以F=0.38J/cm2（a,b）和F=0.15J/cm2（c,d）的线性偏振激光脉冲辐照后BMG（a,c）和CA（b,d）样品表面的扫描电镜图像。插图中显示了CA形状的放大区，以及BMG表面无定形和结晶相的EBSD结构评估。较高通量值（N=1,2,4）时使用的脉冲数较少，而较低通量情况下使用的脉冲数较多（N=20,50,100）。(a)中的插图给出了在N=4时较高通量F=0.6J/cm2的例子。LSFL表示通常垂直于激光偏振方向形成的LSFL波纹。(a,b)中给出了BMG和CA情况下N=4脉冲时LIPSS的二维傅立叶变换（FT）表示法，显示了LSFL和HSFL的发展及其在空间-频率空间（K空间）中的特定空间周期性。

图3.Zr基金属玻璃表面具有高轮廓，具有不同的有效累积能量。

图4.多脉冲飞秒激光器在0.18J/cm2的低能量通量下照射的样品的表面形态.（a）N=10，（b）N=30和（c）N=100。

图5.(a)激光加工周期性表面光栅结构的三维示意图，(b)能量密度变化与颜色变化的关系示意图，(c)未处理、2.5J/mm2和8.0J/mm2处理的XRD图谱。

图6.飞秒激光纳米结构表面的形貌：(a)V105s的抛光表面；(b)V105s的纳米粒子结构表面；(c)V105的LIPSS；(d-g)Zr-BMGs的纳米颗粒结构表面；(h-k) Zr-BMG的LIPSS。

图7.(a)不同结构V105s表面的接触角变化，(b)试样的水接触角变化，(c)正十六烷试样的接触角变化，(d)试样的表面能变化；误差条表示基于每个样本不同区域的三个测量值的标准偏差。

图8.金黄色葡萄球菌在(a)抛光表面、(b)纳米颗粒结构表面和(c)LIPSS上的表面接触状态。表面细菌粘附状态示意图（d）在抛光表面上，(e)在纳米结构表面上和(f)在LIPSS上。

b.纳秒激光

图9.纳秒脉冲激光照射的a非晶和b晶体的烧蚀过程。

图10.在各种峰值激光功率强度下获得的激光烧蚀区域的3D拓扑,（e）–（h）为图3（a）–（d）中标记线的横截面剖面图,实验的激光脉冲数量均为1000。

图11.经(a)10J/cm2、(c)30J/cm2、(e)50J/cm2的各种激光能量密度处理的凹坑纹理表面的SEM显微照片和选定酒窝的相应横截面轮廓(b)(d)(f)。

图12.（a）-（c）是0.649W的较高平均功率下的形态。（d）–（f）是较低扫描速度1mm/s下的形态。

图13.不同激光能量密度下激光照射后铁基MG表面的SEM形貌：(a、b)0.85J/cm2、(c、d)1.39J/cm2和(e、f)1.89J/cm2

图14.(a)激光处理BMG棒材表面残余应力的模拟和(b)弯曲过程中力的示意图，(c)不同激光强度处理样品的应力应变曲线，曲线右侧出现断裂。

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4. 总结展望

综上所述，金属玻璃作为一种新兴的材料，相较于传统金属材料，金属玻璃有着众多优势，这也使得其在工业或医疗行业中有着巨大的潜力，飞秒激光和纳秒激光的出现让金属玻璃的应用更加广泛。本文从飞秒激光和纳秒激光与金属玻璃的相互作用微观机制、不同表面微纳结构的制备以及与性能的关系这是角度出发，较为详细的总结了近十几年来的研究现状。

此外，作者团队在理解上述研究的基础上，也将更进一步的对纳秒激光和飞秒激光加工金属玻璃方向进行研究，提出更多二者相互作用的机制，并用模拟的方式进行体现，为该方向提供更多有力的机理解释。除上述两种激光加工方式外，阿秒激光作为脉冲时间更短的激光，在与金属玻璃的作用中会产生哪些有趣的现象，目前还有待研究，相信这会对金属玻璃的发展提供重要帮助。

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5. 主要作者介绍

张培磊 博士、教授

2010年毕业于上海交通大学，获博士学位。曾赴中南大学和德国弗朗霍夫ILT激光技术研究所从事访学研究。一直致力于激光与材料相互作用、激光智能制造系统的研究。目前已在激光智能制造领域的国际知名期刊发表 SCI、EI 收录论文100余篇，申请国家各类专利30余项，获得国家发明专利授权12项、实用新型专利授权5项。指导完成国家级、上海市等大学生创新训练计划项目12项，指导学生获国家奖学金5人次、上海市大学生新材料创新创意大赛一等奖。担任SVOA Materials Science & Technology期刊编委、Coatings期刊特刊编辑、Frontiers in metals and Alloys期刊评论编辑、焊接杂志社青年编委、《金属加工（热加工）》编委，受邀为Materials Today、ACS Applied Nano Materials、Materials Science and Engineering A, Applied Surface Science, Journal of Alloys and Compounds 等多家国际著名期刊审稿人。目前为上海市焊接学会理事、中国机械工业教育协会焊接技术与工程专业教学委员会委员，中国机械工程学会焊接分会委员。作为项目负责人已完成国家自然科学基金、中央军委总装备部预研项目、上海市自然科学基金、上海市科委重点研发项目、上海市高新技术领域重点项目、新疆自治区科技援疆专项、克拉玛依市重大专项等多项国家、省市级课题的研究。还承担了上海电气电站设备有限公司、上海电气核电设备有限公司、上海振华重工有限公司、上海外高桥造船有限公司、中科院等离子体物理研究所、中车青岛四方机车车辆股份有限公司、通快（中国）有限公司等企业委托技术开发课题的研究，获得2015年上海科技进步一等奖，入选江苏省“双创人才”。

张微林 硕士研究生

张微林，上海工程技术大学硕士研究生，主要研究金属玻璃表面微纳结构的超快激光加工。