[发明专利]纳秒激光辐照制备铁基非晶合金表面纳米结构的方法

说明书

本发明涉及一种纳秒激光辐照制备铁基非晶合金表面纳米结构的方法，属于材料表面微纳加工领域。步骤包括：非晶合金表面进行机械研磨及抛光；非晶合金依次在无水乙醇和丙酮中进行超声波清洗；利用铒元素与氧元素在高温条件下的化学亲和性以及其形成的化合物与基体的润湿性不匹配，通过在大气环境下对铁基非晶合金进行纳秒激光辐照，在其表面诱导形成纳米结构。本发明利用激光辐照诱发的化学反应以及熔体流动效应，通过改变激光辐照参数便可在铁基非晶合金表面制备纳米颗粒结构或者网状纳米结构，具有经济高效、绿色环保、工艺流程简单等优点，在表面催化、废液处理、微纳光学、生物医学等领域具有潜在的应用前景。

技术领域

本发明涉及材料表面微纳加工领域，特别涉及一种纳秒激光辐照制备铁基非晶合金表面纳米结构的方法，在表面催化、废液处理、微纳光学、生物医学等领域具有潜在的应用前景。

背景技术

非晶合金是由合金熔体超急冷凝固而成，兼具一般金属和玻璃优异的力学、物理和化学性能的新型合金材料。自非晶合金问世以来，一直是诸多领域的研究热点。研究人员通过成分设计和工艺优化，已成功开发出铁基、锆基、镁基、铜基等多种具有不同性能的非晶合金体系。其中，铁基非晶合金由于其优异的软磁特性和良好的催化活性，已经被普遍应用于电力电子、工业催化和废液处理等领域。同时，已有研究表明，材料的性能离不开其本身纳米尺度上的结构化。因此，实现铁基非晶合金表面纳米结构的可控制备对其大规模工业应用具有重要的推动作用。

纳米压印技术是一种广泛用于制备材料表面纳米结构的方法。然而，尽管采用该方法可以制备出具有超高分辨率的表面纳米结构，但也存在模具制备工艺流程复杂、刻蚀工艺参数难以精确控制以及脱模困难等问题。激光加工是一种通用性强、经济高效、绿色环保的加工方法，在近些年来被逐步用于在非晶合金表面制备微纳米结构。例如，通过纳秒激光辐照置于氩气氛围中的非晶合金后，直径大于50μm的微凸结构在辐照区域形成（Y.F.Qian, et al . On the transformation between micro-concave and micro-convex innanosecond laser ablation of a Zr-based metallic glass, Journal ofManufacturing Processes, 68 (2021) 1114-1122），但该方法利用的是高温下非晶合金熔体的流动特性，所需的激光能量和单位时间内激光脉冲数目较高，无法形成纳米尺度的微结构。当在大气环境下进行激光辐照时，非晶合金样品可能与周围的气体发生化学反应以形成难以润湿的纳米颗粒。在随后的冷却过程中，伴随着熔池内部材料的流动，纳米颗粒可能会随之流动以形成特定的纳米结构，从而提升非晶合金在表面催化、废液处理、微纳光学、生物医学等领域的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳秒激光辐照制备铁基非晶合金表面纳米结构的方法，解决现有技术存在的上述问题。本发明利用铒元素与氧元素在高温条件下的化学亲和性以及其形成的化合物与基体的润湿性不匹配，通过控制激光辐照参数可快速、高效地在非晶合金表面制备纳米颗粒结构以及网状纳米结构，在表面催化、废液处理、微纳光学、生物医学等领域具有潜在的应用前景。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

纳秒激光辐照制备铁基非晶合金表面纳米结构的方法，在大气环境下对铁基非晶合金表面进行纳秒激光辐照，利用铒元素与氧元素在高温条件下的化学亲和性以及其形成的化合物与基体的润湿性不匹配，在铁基非晶合金表面诱导形成纳米结构，具体步骤包括：

(1) 对非晶合金样品表面进行机械研磨及抛光处理，并依次使用无水乙醇和丙酮进行超声波清洗，将清洗后的非晶合金样品放置于三维位移平台上；

(2) 将激光聚焦到非晶合金表面，利用纳秒脉冲激光对非晶合金表面进行线扫描，通过改变激光辐照参数，调控熔池内纳米颗粒的运动，进而在非晶合金表面制备纳米颗粒结构或者网状纳米结构。

进一步的，步骤(1)中所述的抛光处理后的非晶合金样品的表面粗糙度R_a10nm。