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超强激光科学卓越创新简报

(第七百八十九期)

2026年6月24日

上海光机所在航空铝合金超快激光表面改性研究领域取得重要进展

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所高端光电装备部杨上陆研究员团队与上海飞机制造有限公司航空制造技术研究所合作，在航空铝合金表面改性领域取得重要突破。团队首次提出并验证了一种利用兆赫兹（MHz）脉冲串（burst mode）皮秒激光对2024-T3铝合金表面进行微纳结构加工的新策略。通过精确调控脉冲串内的子脉冲数量（Nburst）与脉冲能量，团队诱导形成了一种新颖的多层“溅射状”分级微纳结构，在将润湿性调控所需有效能量阈值降低75-80%的同时，使环氧树脂与铝合金的界面粘接强度提升了近5.7倍，为航空领域绿色、高效的表面预处理提供了全新方案。相关研究成果以“Surface Processing of Aluminum Alloys Using Burst Ultrafast Laser Pulses for Enhanced Wettability Modulation and Surface Adhesion”为题，发表于Applied Surface Science上。

航空铝合金（如2024-T3）因高比强度而被广泛用于飞机机翼前缘等关键承力结构，但环氧防护涂层常因界面结合力不足而开裂、剥落，诱发腐蚀，影响飞机抗腐蚀性和乘客体验。传统的铬酸阳极氧化等化学预处理工艺虽能提升附着力，但其使用的有毒成分日益受到环保法规限制，且存在工艺复杂、稳定性差等问题。针对这一瓶颈，研究团队利用MHz脉冲串皮秒激光的超快能量沉积与累积热效应，成功实现了对铝合金表面微纳拓扑结构的精准调控。在润湿性调控方面，单脉冲模式下需50-100μJ才能实现显著亲水转变；而引入MHz脉冲串后，仅需10-25μJ即可达到超亲水状态（接触角<10°），有效能量阈值降低约75-80%。

图1 (a) 机翼前缘防护涂层剥落实物图；(b) 皮秒激光加工实验装置原理示意图; (c)Nburst=1时白光干涉三维形貌（WLI）; (d)Nburst=5时白光干涉三维形貌（WLI）; (e)Nburst=1原子力显微镜三维形貌（AFM）; (f)Nburst=5时原子力显微镜三维形貌（AFM）。

该研究首次将MHz脉冲串超快激光加工应用于航空铝合金的表面功能化，通过创造独特的“溅射状”分级微纳结构，在极低的脉冲能量条件下，实现了粘接强度近6倍的飞跃，并完整揭示了其背后的多尺度“能量-结构-性能”耦合机制。这一成果为取代环保性差、不稳定的传统化学处理工艺提供了一种高效、清洁、可控的全新绿色制造路径，对于提升飞机机翼前缘等易受风蚀部件的涂层粘接耐久性具有重要意义。该技术还展现出在汽车、船舶及高端装备领域金属-聚合物混合结构高性能制造的广阔应用前景。

图2（a）不同脉冲串数量Nburst下的SEM形貌演变;（b）接触角随单脉冲能量的变化曲线; （c）拉开附着力测试装置示意图;（d）力学测试装置实物照片;（f）附着力强度随脉冲串数量Nburst变化曲线；（e）激光诱导“溅射状”分级结构形成机制示意图;（g）不同条件下断面失效形貌对比。

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