不銹鋼，顧名思義是兼具力學性能和耐蝕性的鋼材體系，隨著百年來材料領域對不銹鋼的不斷開發優化，目前不銹鋼憑借著因良好的力學與化學穩定性被廣泛應用于海洋、化工和能源領域。然而，不銹鋼也并非是完全不會腐蝕，即使經過百年優化，不銹鋼的“不銹”也是相對其他材料而言，它依然無法完全避免腐蝕問題，特別是在含氯、酸堿環境中，點蝕的突然發生常導致設施壽命驟減。傳統涂層與表面改性雖能改善性能，但往往存在微裂紋或孔隙，仍無法阻擋Cl^-等離子的侵入。激光表面結構化技術雖展示了改善潛力，卻通常僅提升1~2個數量級的耐蝕性能。

近日，吉林大學集成光電子全國重點實驗室聯合中科院上海光機所超強激光科學與技術全國重點實驗室在《Light: Science & Applications》上發表題為“Significant reduction of corrosion of stainless steel by strong-field laser surface passivation”的研究成果，他們提出了一種全新的強場激光表面鈍化策略（Strong-field Laser Filamentation，SLF），通過在不銹鋼表面構筑微納分層結構與復合氧化膜，實現了高達10⁵倍的腐蝕速率降低，在鹽、酸、堿等多種腐蝕易發生環境下環境下維持超6500h的超低腐蝕速率，并具備優異的耐磨與結構穩定性。通訊作者為吉林大學的徐淮良教授和中科院上海光機所李儒新。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41377-025-01952-5

【核心內容】

團隊提出了一種基于強場激光成絲（SLF）鈍化策略，利用飛秒激光在不銹鋼表面原位構筑“芋葉”仿生微納米結構并誘導Cr元素在表層富集富集，形成厚約1.6μm的Fe₃O₄/Fe₂O₃/Cr₂O₃鈍化層，從而使得不銹鋼的表面具有極為優異的疏水特性。經處理的不銹鋼在酸、堿、鹽等易腐蝕環境中的腐蝕速率降低了4-5個數量級，且經過6500h浸泡后腐蝕速率仍穩定在一個極低的水平。

【研究方法】

團隊自建的強場激光成絲實驗平臺，利用飛秒激光在空氣中形成穩定的等離子體絲，實現對不銹鋼表面的遠場非接觸式加工，該系統可在50-100 TW·cm^-2的光場強度下保持約4cm的出絲長度，能夠在大范圍內實現激光能量的均勻分布。團隊通過精確調控激光功率與掃描速度（0.5mm·s^-1，線距100μm），在AISI 304不銹鋼表面實現微納結構的一步成形，隨后對樣品進行150℃的低溫熱處理2h。為系統驗證抗蝕機理，團隊結合電化學方法評估材料的耐蝕性能，同時通過系統性的微觀結構表征手段揭示不銹鋼的微觀結構與化學組成的變化，并建立了氧化層形成與元素遷移的關聯機制。

【研究成果】

① 一步成形的強場激光鈍化策略

團隊采用飛秒激光絲化加工結合低溫熱處理（150℃），處理后的不銹鋼（LH 304）表面形成了仿“芋葉”的微納層級結構和Fe₃O₄/Fe₂O₃/Cr₂O₃復合氧化膜，這種特殊結構兼具超疏水與高致密特征，可同時抑制電化學反應與離子滲透。

強場激光鈍化的不銹鋼表面構筑及其抗腐蝕機理示意圖

② 腐蝕速率降低達10?倍，長期穩定超過6500小時

團隊分別在NaCl、HCl和NaOH溶液進行腐蝕試驗，分別表征LH 304不銹鋼在鹽、酸和堿性環境中的腐蝕情況，結果顯示LH 304的腐蝕電流密度降低了4~5個數量級，且腐蝕速率的降低相較于目前報道的其他先進防護技術效果更為明顯（腐蝕速率要更低2~3個數量級），經過9個月（>6500h）浸泡后，樣品的表面依然光亮如初，未見明顯的腐蝕跡象。

不同環境下的極化曲線及LH 304樣品在NaCl溶液中長期腐蝕測試結果

③ 仿生分層結構構建超疏水界面

顯微觀察顯示，類似芋葉的微納層級紋理由“平頂山”式微結構與亞微米顆粒組成，極大提高了表面積比，并具備了超疏水性（接觸角158.7°，滾動角0.45°），這種空氣隔層結構有效隔絕電解液與金屬界面的直接接觸，從腐蝕的根源上大幅抑制點蝕發生。

LH304不銹鋼表面形貌及其超疏水性能表征

④ 氧化層成分與Cr富集效應揭示強化機理

TEM與XPS分析表明，激光作用在表面誘導形成約1.6μm厚的混合氧化鈍化層，主要由Fe₃O₄、Fe₂O₃及Cr₂O₃組成，Cr元素在激光沖擊下從基體遷移至表層，在表面形成高濃度的Cr富集區，大幅提升不銹鋼表面的抗氧化與抗蝕能力，抑制腐蝕的發生。

L304（僅激光處理，未熱處理）樣品的元素分布、氧化層成分及Cr富集深度剖面

【總結與展望】

這項研究通過強場激光絲化+低溫熱處理，不僅在不銹鋼表面構筑了高致密的復合氧化膜，更通過仿生微納結構實現了”空氣屏障”式防護，該成果揭示了“光致鈍化”機制的物理過程，也為高耐蝕、長壽命的金屬防護材料開發提供了全新路徑。