激光-化学复合工艺实现超疏水碳化硅陶瓷表面制备
导语
碳化硅陶瓷是高性能刹车盘的关键材料，但其固有的亲水表面易导致污垢附着、低温结冰和腐蚀，影响制动安全与材料寿命。东南大学先进焊接与增材制造团队在《中国表面工程》2025年第38卷第4期发表研究最新研究成果，提出一种激光-化学复合加工工艺，成功在碳化硅表面制备出具备超疏水、自清洁、抗结冰、耐磨损及耐腐蚀等多功能特性的表面，为该材料的性能提升提供了新方案。
碳化硅刹车盘的表面性能瓶颈
碳化硅具有低膨胀系数、高热导率、抗辐照等诸多优良特性,其制备的刹车材料近年来在轿车和飞机等制动系统中得到广泛应用。然而，碳化硅的硬度很大，使用传统加工工艺很难对其进行加工。同时，碳化硅的本征亲水特性使其表面易产生污垢和结冰，进而缩短材料使用寿命。传统的表面改性方法，或难以在超硬基底上构建牢固结构，或无法兼顾多种性能要求，在应对刹车盘苛刻的工况时存在局限。激光-化学复合加工工艺的核心
为了研究不同工艺参数下表面结构和表面化学对润湿性的影响规律，从而获得制备功能化碳化硅材料表面的优选工艺参数，本工作采用的激光扫描速率区间为20～100 mm/s，激光束扫描区域为10 mm×10 mm；激光扫描图案是边长为0.1 mm的正六边形阵列与圆滑四边形阵列；扫描线间距采用173、230 µm两组作为代表。将乙醇超声清洗后的碳化硅样品放置在工作台上，聚焦光束在碳化硅样片表面扫描产生周期性微纳结构，加工全过程在空气环境中进行。激光加工后，将碳化硅样片放在硅烷-无水乙醇混合溶液中浸泡1 h，取出后放置在150 ℃真空干燥箱内加热30 min，加热完成后在空气中自然冷却（图1）。关键性能结果
为改善碳化硅在刹车盘应用领域的耐摩擦性、表面润湿性、耐腐蚀性与自清洁性等性能，本文设计了正六边形和圆滑四边形周期性表面纹理结构，采用LCCP 制备具备超疏水性等优良表面性能的碳化硅材料表面。使用激光微纳加工工艺在碳化硅材料表面诱导多级微纳结构阵列，激光加工后的材料表面粗糙度明显升高，形成规则的沟槽结构，且随着激光扫描速率增大，表面沟槽深度逐渐减小，材料表面表现出超亲水性。LCCP处理使材料表面由超亲水性向超疏水性迅速转变，材料表面 O 元素含量升高，形成大量疏水官能团 Si-O-Si，在一定参数范围内，随着扫描速率和扫描间距的减小，表面润湿性显著提高。通过对比分析发现，相对于圆滑四边形结构，在碳化硅材料表面加工正六边形微纳结构可以使碳化硅材料具备更高的表面粗糙度和更加明显的围栏结构，从而使润湿性、耐磨损性和抗结冰性更加优越，更符合碳化硅刹车片的应用需求。经该工艺处理后，碳化硅表面性能得到全面优化：1. 超疏水性
表面与水的接触角最高可达156.4°，滚动角最低为1.3°，表现出典型的超疏水特性（图2）。图2 不同激光加工参数下碳化硅材料表面接触角测量数据2. 高耐磨性
砂带摩擦循环测试表明，具有正六边形微结构的表面耐磨性能显著优于其他结构，更符合刹车片对耐久性的要求（图3）。图3 不同阵列的碳化硅表面在砂带上不同循环次数摩擦后接触角变化 (a) 正六边形; (b) 圆滑四边形3. 优异抗结冰性
在-5℃环境下，水滴在超疏水表面的完全结冰时间从未处理样品的约20秒，大幅延长至280秒（图4）。4. 良好的自清洁与耐腐蚀性
表面能有效防止灰尘附着，并通过电化学测试验证了其耐腐蚀性能的提升（图5）。图5 不同处理方式下滴水前后碳化硅材料表面灰尘附着情况总结
本文提出的 LCCP 工艺加工成本低、加工过程无毒无污染、加工效率高，所制备的碳化硅材料表面有一定的自清洁、抗结冰、耐腐蚀、耐磨损等性能，使得碳化硅材料有更广阔的应用前景。但本文所制备超疏水碳化硅材料表面的测试试验仍须进一步完善，进行仿真模拟并在真实环境中进行刹车试验来验证其相关性能，同时还须研究LCCP 表面耐高温等性能的影响。作者团队
论文第一作者为东南大学机械工程学院本科生宋昕蓉，通讯作者为东南大学机械工程学院副教授、硕士生导师王青华。研究获得了国家自然科学基金、东南大学至善青年学者项目及国家级大学生创新创业训练计划的资助。
