仿生超滑表面的飞秒激光微纳能，在航空方面，如何实现微纳加工？

　　

　　文丨胖仔研究社

　　编辑丨胖仔研究社

　　飞机、火箭等航空航天产品在高速飞行时，由于飞机和火箭的重量很大，对其表面的要求也很高。表面光洁度高、耐磨耐腐蚀、抗冲击、抗磨、防冰、防雾等性能好的超滑表面，可以减少发动机在工作过程中的磨损，提高飞机和火箭的使用寿命。

　　

　　自然界中许多生物具有超滑表面，如蜜蜂在蜂巢中飞行时，翅膀上有一层光滑的绒毛，当蜜蜂飞过蜂巢时，绒毛会迅速滑动，防止蜂巢受到撞击。由于其良好的超滑性能，蜜蜂还被用于制造飞机和火箭。

　　在航空航天领域中，由于摩擦会降低其飞行速度和效率，因此制备具有超滑表面的飞机和火箭是提高飞机和火箭性能的有效途径。

　　蜜蜂是自然界中飞行速度最快的昆虫之一，其翅膀由无数个微小的翅骨组成，每个翅骨由20-30个小骨片组成。由于这些细小的骨片是由非常薄的薄膜包裹着，蜜蜂在飞行时可以吸收大量的能量，同时可以减少空气阻力，从而提高飞行速度。

　　

　　蜜蜂在飞行时，翅膀会产生大量的摩擦力，这种摩擦力会导致蜜蜂在飞行过程中对周围环境产生一种摩擦阻力。

　　为了解决这种摩擦阻力问题，蜜蜂翅膀上有一层很薄的薄膜，当蜜蜂从蜂巢中飞出来时，这层薄膜会迅速地滑动起来。在飞行过程中，这层薄膜会使蜜蜂不受到周围环境的影响，从而保证了其飞行速度和效率。

　　

　　自然界中许多生物都具有超滑表面，如蜘蛛结网、海豚的鳍、鸟类羽毛上的鳞片等。蜘蛛结网时会在网上留下一个小洞，当蜘蛛从洞中钻出来时，这个小洞会把蜘蛛拉向空中，从而让蜘蛛保持在空中。

　　海豚鳍上有一层薄膜，当海豚从水中跳上水面时，海豚鳍上的薄膜会快速地滑动起来。鸟类羽毛上有许多鳞片，当鸟类从天空中跳下时，这些鳞片会快速地滑动起来。自然界中许多生物都具有超滑表面。

　　自然界中的许多生物具有超滑表面，如蜜蜂翅膀的表面粗糙结构，可以防止蜜蜂在飞行过程中发生碰撞；鸽子的翅膀表面有许多凹坑，可以防止鸽子在飞行过程中与空气接触而导致的摩擦。

　　

　　自然界中鸟类翅膀表面的凹坑和羽毛之间形成的微凹结构，可以使鸟类在飞行过程中减少与空气的摩擦；鸟类翅膀上光滑的鳞片结构，可以防止鸟类在飞行过程中与空气发生摩擦而导致的磨损。

　　此外，自然界中许多生物都具有较强的防冰、防雾、防腐蚀等性能，如蜗牛、贝壳、水蚤、螃蟹、水貂等。为了更好地了解仿生超滑表面的基本原理和应用，可以对其进行相应的研究。

　　例如，在自然界中，许多昆虫和鸟类都有高效的超滑表面。为了更好地了解这一现象，可以从两个方面进行研究：第一个方面是从表面微观结构来研究；第二个方面是从摩擦性能来研究。

　　

　　从微观结构来看，昆虫翅膀上有许多粗糙和凹凸不平的区域，这些区域与空气接触而不是与水接触。在微观结构中，昆虫翅膀上具有许多微小凹坑和凸起。

　　由于昆虫翅膀上这些微小凹坑和凸起的存在，昆虫飞行时会在其表面形成一个光滑区域，减少与空气接触而导致摩擦系数下降。例如在自然界中，鸟类和鲸鱼都具有光滑、粗糙、平坦、凹坑等表面特征。在自然界中，水蚤在水中滑动时会产生许多小液滴并粘附在表面上。

　　飞秒激光微纳制造技术是利用飞秒激光加工系统在材料表面上制备结构的方法。该技术的优点是可以对材料进行高精度、高速度、无损伤和无应力的加工。

　　

　　从而实现纳米级的加工精度和表面质量。目前，飞秒激光微加工技术已广泛应用于多个领域，如医疗、航空航天、生物工程等。

　　飞秒激光微加工技术可以用于各种材料和表面的制备，包括金属、半导体、高分子材料等。其中，金属材料的表面结构对材料的力学性能、导电性能和热学性能有很大的影响。

　　首先，利用飞秒激光的多光子解离特性制备纳米级结构，可以将飞秒激光作为光源。由于飞秒激光的能量非常高，所以在不同波长下，飞秒激光可以被激发出不同类型的光子。

　　飞秒激光是一种非常短的脉冲光源，脉冲宽度仅为100 ns （纳秒）以下。因此，它可以激发出高能量和高峰值功率的光子。

　　

　　例如，当用飞秒激光照射金属表面时，脉冲中产生的光子将部分被电离成自由电子和离子。在自由电子和离子之间发生碰撞时，会产生大量高能光子，从而可以在金属表面制备纳米结构。

　　同时，利用飞秒激光与材料相互作用产生的电子-离子对也可以实现对材料表面的刻蚀、改性和微纳加工。另外，通过实验研究发现：在不同波长下，飞秒激光作用于不同种类材料时会产生不同类型的光子。

　　当飞秒激光能量较低时（小于10 eV），会产生大量高能光子；当能量较高时（大于100 eV）会产生大量高能光子。这表明：飞秒激光在不同波长下会产生不同类型和不同种类的光子。

　　

　　超滑表面的制备方法主要有刻蚀、微机电系统（MEMS）和激光加工三种。刻蚀技术是目前使用最广泛的一种加工方法，它在空间上可以实现从几微米到几千纳米的超微结构加工，但由于其相对较大的热效应，并不适用于热控要求较高的场合。

　　

　　微机电系统（MEMS）是将微型电子器件集成在一起的一个系统，它可以实现一些传统的电子电路难以实现的功能。飞秒激光微纳制造技术具有高精度、高效率、大面积、低成本等优点，因此在微加工领域得到了广泛应用。

　　例如，在制备微米级微沟槽方面，飞秒激光可以用来制作大面积微沟槽；在制备亚微米级微结构方面，飞秒激光可以用来制备亚微米级微结构；在制备纳米结构方面，飞秒激光可以用来制作纳米级的结构。

　　目前，飞秒激光微纳制造技术主要用于微沟槽、微凹坑和微结构等的加工。为了探索飞秒激光微纳制造技术在仿生超滑表面领域的应用，我们采用飞秒激光微纳加工技术，制作了多种具有不同几何结构和形貌特征的仿生超滑表面。

　　

　　例如，我们设计并制备了一种具有双凹槽和倾斜网格结构的仿生超滑表面。这种仿生超滑表面具有较低的摩擦系数和较大的摩擦因数。当与具有光滑表面或微凸透镜表面进行比较时，在相同的实验条件下，仿生超滑表面的摩擦系数为0.35,比光滑表面低约20%。

　　另外，我们还利用飞秒激光制造技术制备了具有微凸透镜和微凹坑结构的仿生超滑表面。

　　飞秒激光微纳制造技术可以加工出具有特定功能的超滑表面，而且这种特殊的超滑表面可以用于飞机和火箭等航空航天产品中。

　　由于超滑表面具有减阻、减磨、抗冲击、抗磨损等特性，因此这种材料被广泛应用于飞机和火箭等航空航天产品中，如飞机的机翼前缘、发动机的叶片、火箭的箭体等。

　　

　　飞秒激光微纳制造技术制造仿生超滑表面不仅可以降低飞机和火箭等航空航天产品在高速飞行过程中产生的摩擦阻力，还可以提高飞机和火箭等航空航天产品的飞行速度和效率，因此这种材料在航空航天领域具有广泛的应用前景。

　　目前，飞秒激光微纳制造技术可以用于制备具有减阻、减磨、抗冲击、抗磨损等特性的仿生超滑表面，如蜜蜂翅膀上的绒毛，蜜蜂飞行时翅膀上的绒毛会迅速滑动，防止蜂巢受到撞击。

　　目前，飞秒激光微纳制造技术已经在表面形貌调控方面取得了一些进展，如在光致变色膜和表面图案化方面取得了一些成果，但由于飞秒激光微纳制造技术加工出的表面结构种类较少，加工精度不高，制备出来的仿生超滑表面只具有特定功能。

　　

　　为了制造出具有特殊功能的仿生超滑表面，需要研究不同种类超滑表面的加工方法和加工精度，通过飞秒激光微纳制造技术制造仿生超滑表面可以得到不同种类超滑表面，满足不同领域对超滑表面的需求，并实现产业化应用。

　　飞秒激光微纳制造技术制造的仿生超滑表面可以实现减阻、减磨、抗冲击、抗磨损等功能，可以满足不同领域对超滑表面的需求。

　　另外，飞秒激光微纳制造技术制造的仿生超滑表面可以用于制造具有特殊功能的超滑表面，如汽车发动机叶片和火箭箭体等，这类超滑表面具有防冰、防雾等特殊功能，可减少发动机在高速飞行过程中产生的摩擦阻力，提高发动机的使用寿命。

　　

　　飞秒激光微纳制造技术制造的仿生超滑表面具有简单、高效、低成本等特点，可以广泛应用于汽车发动机叶片和火箭箭体等航空航天产品中，并有望实现产业化应用。

　　飞秒激光微纳制造技术可以实现材料表面形貌的精确控制，在微纳尺度上研究各种形貌的材料，满足不同领域对超滑表面的需求。飞秒激光微纳制造技术可以实现材料表面超滑结构的精确控制，通过设计不同类型的飞秒激光微加工工艺，可以得到不同种类的超滑表面。

　　

　　飞秒激光微纳制造技术在仿生超滑表面制备方面具有显著优势，可以实现对超滑表面进行快速、精确、低成本的制造，是一种高效、高精度制备仿生超滑表面的方法。

　　飞秒激光微纳制造技术制备出的仿生超滑表面在航空航天领域具有广泛应用前景，可应用于航空航天产品的减阻、减磨、抗冲击、抗磨损等功能。

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