我校在超快激光加工研究方面取得系列新进展

来源：合肥工业大学时间：2025-02-25 13:42:12

近期，我校仪器科学与光电工程学院吴思竹教授、劳召欣教授课题组在超快激光加工领域取得多项研究成果，相关论文分别发表于国际知名期刊《Advanced Functional Materials》、《Small》和《Corrosion Science》。

研究团队将飞秒激光加工引导的双向对称毛细力自组装用于手性光学结构加工。提出了一种基于角度补偿和pH调控策略的双向对称手性微结构原位制备方法。该方法采用飞秒激光直写构建pH智能响应性水凝胶微柱阵列，巧妙利用溶液蒸发产生的动态毛细力驱动自组装过程，通过将智能材料动态响应特性与激光微加工精准操控相结合，突破了传统手性结构调谐困难的瓶颈。为了克服传统智能材料变形不对称的问题，团队引入了结构角度补偿与pH协同调控策略，并建立了手性结构参数化设计模型。通过涡旋光探测技术，验证了所制备手性微结构的对称涡旋二色光谱特性。该进展以“Bidirectionally Symmetric Self-Assembly of Switchable Chiral Microstructures Based on Angle Compensation and pH Regulation Strategy for Chiroptical Metamaterials”为题于2025年2月11日发表在《Advanced Functional Materials》。

图1. 飞秒激光加工引导的对称调谐手性自组装

研究团队设计了一种电热-磁复合驱动的形状记忆微夹持器（EM-SMP）。该微夹持器通过飞秒激光加工技术实现高精度制造，并在形状记忆聚合物基体中嵌入Fe₃O₄颗粒和电阻丝，从而能在电流和磁场作用下实现快速响应（响应时间约为0.9s）。该设计在操作过程中仅在夹持器张开时施加磁场，闭合则通过电热触发的形状记忆效应完成，使其能够在无磁干扰的情况下安全夹持磁性物体，并在冷却后实现无需能耗的稳定锁定状态。此外，其独特的爪形结构有效提升了负载能力，自重负载比高达2380，显著增强了夹持性能。该进展以“High-Load Shape Memory Microgripper with Embedded Resistive Heating and Magnetic Actuation”为题于2025年2月3日发表在《Advanced Functional Materials》。

图2. EM-SMP夹持器工作机理示意图

研究团队设计了一种磁/光双响应形状记忆夹持器。通过将Fe₃O₄纳米颗粒嵌入形状记忆聚合物（SMP）基体，赋予材料光热转换与磁响应特性。基于飞秒激光加工与模板复刻技术，制备了可精确调控的微结构夹爪。在近红外光（NIR）与环形磁场协同作用下，夹爪通过光热效应软化并受磁力驱动展开至临时开合态；撤去磁场后，其形状可固定，而再次施加NIR则触发形状记忆效应恢复闭合态。实验表明，该夹持器可操控跨尺度物体（微米级液滴至厘米级金属件），最大负载达自身重量的1730倍，并能在密闭空间内精准转移固体与液体。此外，其成功应用于多种微液滴操控及液态金属电路控制，为微创手术器械与工业精密操作提供了创新解决方案。该进展以“A Versatile Dual-Responsive Shape-Memory Gripper via Additive Manufacturing Toward High-Performance Cross-Scale Objects Maneuvering”为题于2025年1月24日发表于《Small》。

图3. 磁/光双响应形状记忆微爪磁热协同驱动与跨尺度操控

研究团队提出飞秒激光表面处理（FLSP）新策略。通过调控激光功率（100–400 mW）在LPBF钛合金表面构建周期性纳米波纹与微纳分级结构，结合空气暴露加速Ti²⁺氧化为Ti⁴⁺，形成致密TiO₂钝化膜。实验表明，FLSP处理后的样品在3.5% NaCl溶液中腐蚀电流密度（icorr）由2.05 μA/cm²降至0.044 μA/cm²（降幅97.8%），钝化电流密度（ip）降低70.8%，且呈现多层钝化行为。XPS分析证实，空气暴露30天后，表面Ti⁴⁺占比提升，氧化膜厚度与致密度显著增加，有效阻隔Cl⁻侵蚀。经过45天浸泡实验，FLSP处理样品未出现明显局部腐蚀，验证了其长效防护能力。该进展以“Femtosecond laser-induced micro/nanostructures facilitated multiple passivation and long-term anti-corrosion property of laser powder bed fused Ti-6Al-4V alloy”为题于2025年1月30日发表于《Corrosion Science》。