橡树岭国家实验室研发新技术LIS 减少车辆工业化学处理有害化合物

在极端操作条件下，对车辆和飞机的材料进行持久性防腐蚀保护从而保持结构完整非常重要。为准备涂层附着力和保护铝合金表面免受腐蚀，工业环境中常采用两种化学预处理工艺。虽然受到严格监管，但这两种工艺都使用了大量影响环境和健康的有害化合物。

据外媒报道，能源部橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）的一个多学科科学家团队采用了一种激光干涉结构（laser-interference structuring，LIS）技术，大大减少对这些危险化学物品的采用。

铬酸盐转化涂层（CCC）使用六价铬（一种已知的致癌物质）来抑制腐蚀。硫酸阳极氧化（SAA）使用的是硫酸，但硫酸会严重刺激皮肤和眼睛，吸入后还会导致永久性肺损伤。每年处理的危险废物中，有数百万加仑用过的化学溶液。

ORNL材料科学家Adrian Sabau和一个由化学家和制造科学家组成团队共同对LIS技术进行了描述、展示和分析，并将其性能与传统溶剂密集型方法下的性能进行了比较。该研究的合著者包括ORNL的Jiheon Jun、Mike Stephens、Dana McClurg、Harry Meyer III、Donovan Leonard和Jan Chen。

Sabau专门从事金属铸造和凝固等材料加工，其团队最近完成了一个使用LIS加护进行汽车应用粘合的项目。当他看到国防部关于非溶剂表面制备研究的呼吁时，Sabau意识到类似技术也可以有效提高涂层附着力。

实验中，科学家通过将脉冲纳秒激光的主光束分成两束，并将它们聚焦在试样表面的同一点上来处理铝合金板。该过程使具有周期性结构的表面变得粗糙，改变了表面化学和亚表面微观结构。

Sabau发出疑问：“在激光加工中，顶部表面会产生大量能量，我们需要了解基材发生了什么。它是否损坏？是否开裂？是否有任何对腐蚀保护无益的微观结构影响？”物理化学家Meyer和显微镜学家Leonard为光学和激光技术中概述的表征工作做出了贡献。Meyer使用X射线光电子能谱（XPS）进行了表面化学分析。

Meyer表示：“XPS是一种材料表征技术，它可以确定固体材料表面（顶部5到8纳米）上的元素。在激光加工之前，先试用XPS用于确定收到的铝合金板的化学成分，从而显示出大量碳。之后，再次使用XPS来确定激光加工是否对表面进行了清洁。XPS以及电子显微镜的结果可以帮助我们了解原始氧化物是如何通过激光加工改变的。”Sabau补充说：“在查看地下特征时，我们偶然发现，富铜沉淀物会在顶层溶解，而那也是腐蚀的开始。”

清洁铝合金板后，该表面能通常会阻止涂层正确粘附，这是工业表面涂层中的常见问题。研究团队对涂层附着力进行了研究，发现LIS方法与符合行业标准和溶剂密集型的CCC和SAA技术所提供的附着力一样。

对于粘附研究，McClurg对材料进行了轮廓测量，这是一种绘制表面轮廓并提供粗糙度测量的技术。此外，技术人员Mike Stephens使用美国军方用于飞机机翼和机身的环氧底漆进行最终测试，并顺利完成。该任务十分精细，且时间要求高，需要在经过不同处理的合金板上喷涂底漆和面漆，以符合国防部的严格规格。然后，Stephens将样品暴露盐雾中达2,000个小时，并检查不同时期的耐腐蚀性。Jun领导了腐蚀测试，对LIS制备的表面与传统制备的合金基材进行了比较。这两种涂层均没有底漆和面漆。

Jun表示：“经过激光干涉处理的基材表现出更高的耐腐蚀性。”Jun认为这是富铜沉淀物溶解的结果。然而，在涂有底漆或底漆和面漆的样品上，LIS技术的性能不比化学溶剂技术，一些样品在盐雾暴露96小时内出现了气泡。然而，这些气泡很小，并可在数百小时的暴露中保持稳定。该团队还测试了第二组样品，在涂底漆之前简单地用丙酮擦拭，从而使得腐蚀很小，夜视气泡的形成延迟了数百小时。

Jun表示：“我们的研究方法，结合实验室规模的电化学测量和工业采用的ASTM（American Society for Testing Materials，美国材料测试协会）盐雾测试，是非常成功的。该方法将有助于深入了解激光干涉处理的影响。”

Sabau表示：“对于在没有溶剂的环境温度下进行工艺，大多数样品都表现得非常好。LIS技术是朝着非化学密集型涂层表面制备的正确方向迈出的一大步。”