本文作者：王吉，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所副研究員。主要從事光場(chǎng)調(diào)控、激光微/納米加工、寬禁帶半導(dǎo)體材料功能結(jié)構(gòu)制備的研究。近年來承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)子課題等多項(xiàng)國(guó)家科研項(xiàng)目。累計(jì)發(fā)表SCI論文20余篇；申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利20余項(xiàng)，已授權(quán)16項(xiàng)。
在風(fēng)力發(fā)電、海洋工程等高端領(lǐng)域，玻璃纖維增強(qiáng)樹脂（GFRP）憑借 “輕質(zhì)高強(qiáng) + 耐腐蝕” 的雙重優(yōu)勢(shì)，成為風(fēng)電葉片、海洋裝備的核心材料。但它的 “親水短板” 卻成了長(zhǎng)效服役的 “隱形殺手”—— 在海上高濕環(huán)境中，GFRP 易吸水腐蝕，縮短裝備壽命；在低溫風(fēng)電場(chǎng)景下，表面結(jié)冰會(huì)增加葉片載荷，甚至引發(fā)安全事故。
破解這一難題的關(guān)鍵，正是超疏水表面（SHS）技術(shù)。這項(xiàng)受 “荷葉效應(yīng)” 啟發(fā)的技術(shù)，通過 “微納結(jié)構(gòu) + 低表面能” 的組合，讓水接觸角＞150°，實(shí)現(xiàn)自清潔、防結(jié)冰、抗腐蝕的多重功能。但傳統(tǒng)技術(shù)始終面臨瓶頸：化學(xué)氣相沉積需高溫真空，模板法易磨損，而激光加工雖在金屬、陶瓷領(lǐng)域表現(xiàn)出色，面對(duì) GFRP 這類熱敏感樹脂基材料時(shí)，卻常因 “過度燒蝕、結(jié)構(gòu)失控” 難以突破。
如今，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所激光極端制造研究中心王吉副研究員團(tuán)隊(duì)，在《Nanomaterials》期刊 “Advanced Laser Manufacturing: Preparation of Functional Nanostructures and Synthesis of Nanomaterials” 特刊（特刊網(wǎng)址：https://www.mdpi.com/journal/nanomaterials/special_issues/XE64K9KQ33）上發(fā)表的最新研究，用飛秒激光技術(shù)打破了這一僵局！
核心創(chuàng)新：多脈沖網(wǎng)格狀點(diǎn)蝕刻（MP-GPE） 團(tuán)隊(duì)提出的飛秒激光多脈沖網(wǎng)格狀點(diǎn)蝕刻（MP-GPE）方法，無需額外化學(xué)涂層或高溫退火，僅通過 “激光精準(zhǔn)雕刻 + 簡(jiǎn)單硅烷改性”，就在 GFRP 表面構(gòu)建出穩(wěn)定的微納分級(jí)凹孔陣列 —— 這種結(jié)構(gòu)能鎖住空氣形成 “氣室”，大幅減少固 - 液接觸面積，最終實(shí)現(xiàn)160.6° 的超疏水接觸角，與理論計(jì)算值 161.6° 幾乎完全吻合，可靠性拉滿！ 關(guān)鍵成果：參數(shù)可控，性能達(dá)標(biāo) 不同激光能量下凹孔陣列表面：(a-e) 60個(gè)脈沖，單脈沖能量分別為5、10、15、20、25 μJ；(f-i) 40個(gè)脈沖，單脈沖能量分別為5、10、15、20和25 μJ。圖片來源：Nanomaterials 2025, 15(4), 287 最優(yōu)工藝參數(shù)：單脈沖能量 25 μJ、蝕刻脈沖數(shù) 60 時(shí)，GFRP 表面凹孔深度達(dá) 63 μm，上表面寬度約 33 μm，此時(shí)疏水性最佳； 抗熱損傷優(yōu)勢(shì)：通過參數(shù)調(diào)控，有效抑制樹脂過度燒蝕和玻璃纖維暴露斷裂（能量＜30 μJ、脈沖數(shù)＜80 時(shí)表現(xiàn)穩(wěn)定）； 理論支撐：建立接觸角預(yù)測(cè)模型，通過 6 μL 液滴計(jì)算得出固 - 液接觸面積占比僅 2.28%，驗(yàn)證了 “氣室鎖水” 機(jī)理的科學(xué)性。 傳統(tǒng)激光加工 GFRP 時(shí)，因脈沖寬、熱擴(kuò)散范圍大，極易導(dǎo)致樹脂分解、纖維斷裂；而華日激光飛秒激光的 “超短脈沖 + 高能量密度” 特性，恰好成為解決這一問題的 “金鑰匙”，這也是研究能突破技術(shù)瓶頸的核心原因。 飛秒激光的脈沖寬度僅為 10?1?秒級(jí)別，能量能在瞬間聚焦于 GFRP 表面微區(qū)，幾乎不產(chǎn)生熱擴(kuò)散 —— 實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)單脈沖能量≤25 μJ 時(shí)，樹脂僅在凹孔區(qū)域被精準(zhǔn)去除，相鄰梁結(jié)構(gòu)保持完整；而傳統(tǒng)激光即使能量更低，也會(huì)導(dǎo)致周邊樹脂重熔、纖維暴露。 通過調(diào)節(jié) “單脈沖能量+ 脈沖數(shù)”，可精準(zhǔn)控制凹孔的深度、寬度和表面粗糙度。這種 “可控性” 讓飛秒激光能為 GFRP “量身定制” 超疏水結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)方法根本無法實(shí)現(xiàn)如此精細(xì)的調(diào)控。 華日激光 FemtoCore Glow 系列光纖飛秒激光器。 王吉研究員團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究，不僅提出了一種 “高效、可控、環(huán)保” 的 GFRP 超疏水制備技術(shù)，更解決了熱敏感樹脂基材料激光加工的核心難題。對(duì)于風(fēng)電領(lǐng)域，它能讓葉片在低溫環(huán)境下避免結(jié)冰，提升發(fā)電效率；對(duì)于海洋裝備，它能阻止海水腐蝕，延長(zhǎng)服役壽命。未來，隨著這項(xiàng)技術(shù)的工業(yè)化落地，GFRP 材料將在更多高端領(lǐng)域 “大顯身手”，而飛秒激光的 “精準(zhǔn)制造” 能力，也將為功能材料改性開辟更多可能。1. 超短脈沖（<290 fs to 8 ps）：精準(zhǔn)控?zé)幔苊膺^度燒蝕
2. 參數(shù)可調(diào)：定制化構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)
3. 流程簡(jiǎn)化：無需額外處理，適配工業(yè)化
相比需要高溫退火的溶膠 - 凝膠法、依賴模板更換的模板法，飛秒激光 MP-GPE 技術(shù)僅需兩步：①激光蝕刻凹孔陣列；②硅烷溶液改性降低表面能。整個(gè)過程無污染物排放，且加工效率高，為后續(xù)風(fēng)電、海洋領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
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