不锈钢，顾名思义是兼具力学性能和耐蚀性的钢材体系，随着百年来材料领域对不锈钢的不断开发优化，目前不锈钢凭借着因良好的力学与化学稳定性被广泛应用于海洋、化工和能源领域。然而，不锈钢也并非是完全不会腐蚀，即使经过百年优化，不锈钢的“不锈”也是相对其他材料而言，它依然无法完全避免腐蚀问题，特别是在含氯、酸碱环境中，点蚀的突然发生常导致设施寿命骤减。传统涂层与表面改性虽能改善性能，但往往存在微裂纹或孔隙，仍无法阻挡Cl^-等离子的侵入。激光表面结构化技术虽展示了改善潜力，却通常仅提升1~2个数量级的耐蚀性能。

近日，吉林大学集成光电子全国重点实验室联合中科院上海光机所超强激光科学与技术全国重点实验室在《Light: Science & Applications》上发表题为“Significant reduction of corrosion of stainless steel by strong-field laser surface passivation”的研究成果，他们提出了一种全新的强场激光表面钝化策略（Strong-field Laser Filamentation，SLF），通过在不锈钢表面构筑微纳分层结构与复合氧化膜，实现了高达10⁵倍的腐蚀速率降低，在盐、酸、碱等多种腐蚀易发生环境下环境下维持超6500h的超低腐蚀速率，并具备优异的耐磨与结构稳定性。通讯作者为吉林大学的徐淮良教授和中科院上海光机所李儒新。

文章链接：

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

【核心内容】

团队提出了一种基于强场激光成丝（SLF）钝化策略，利用飞秒激光在不锈钢表面原位构筑“芋叶”仿生微纳米结构并诱导Cr元素在表层富集富集，形成厚约1.6μm的Fe₃O₄/Fe₂O₃/Cr₂O₃钝化层，从而使得不锈钢的表面具有极为优异的疏水特性。经处理的不锈钢在酸、碱、盐等易腐蚀环境中的腐蚀速率降低了4-5个数量级，且经过6500h浸泡后腐蚀速率仍稳定在一个极低的水平。

【研究方法】

团队自建的强场激光成丝实验平台，利用飞秒激光在空气中形成稳定的等离子体丝，实现对不锈钢表面的远场非接触式加工，该系统可在50-100 TW·cm^-2的光场强度下保持约4cm的出丝长度，能够在大范围内实现激光能量的均匀分布。团队通过精确调控激光功率与扫描速度（0.5mm·s^-1，线距100μm），在AISI 304不锈钢表面实现微纳结构的一步成形，随后对样品进行150℃的低温热处理2h。为系统验证抗蚀机理，团队结合电化学方法评估材料的耐蚀性能，同时通过系统性的微观结构表征手段揭示不锈钢的微观结构与化学组成的变化，并建立了氧化层形成与元素迁移的关联机制。

【研究成果】

① 一步成形的强场激光钝化策略

团队采用飞秒激光丝化加工结合低温热处理（150℃），处理后的不锈钢（LH 304）表面形成了仿“芋叶”的微纳层级结构和Fe₃O₄/Fe₂O₃/Cr₂O₃复合氧化膜，这种特殊结构兼具超疏水与高致密特征，可同时抑制电化学反应与离子渗透。

强场激光钝化的不锈钢表面构筑及其抗腐蚀机理示意图

② 腐蚀速率降低达10⁵倍，长期稳定超过6500小时

团队分别在NaCl、HCl和NaOH溶液进行腐蚀试验，分别表征LH 304不锈钢在盐、酸和碱性环境中的腐蚀情况，结果显示LH 304的腐蚀电流密度降低了4~5个数量级，且腐蚀速率的降低相较于目前报道的其他先进防护技术效果更为明显（腐蚀速率要更低2~3个数量级），经过9个月（>6500h）浸泡后，样品的表面依然光亮如初，未见明显的腐蚀迹象。

不同环境下的极化曲线及LH 304样品在NaCl溶液中长期腐蚀测试结果

③ 仿生分层结构构建超疏水界面

显微观察显示，类似芋叶的微纳层级纹理由“平顶山”式微结构与亚微米颗粒组成，极大提高了表面积比，并具备了超疏水性（接触角158.7°，滚动角0.45°），这种空气隔层结构有效隔绝电解液与金属界面的直接接触，从腐蚀的根源上大幅抑制点蚀发生。

LH304不锈钢表面形貌及其超疏水性能表征

④ 氧化层成分与Cr富集效应揭示强化机理

TEM与XPS分析表明，激光作用在表面诱导形成约1.6μm厚的混合氧化钝化层，主要由Fe₃O₄、Fe₂O₃及Cr₂O₃组成，Cr元素在激光冲击下从基体迁移至表层，在表面形成高浓度的Cr富集区，大幅提升不锈钢表面的抗氧化与抗蚀能力，抑制腐蚀的发生。

L304（仅激光处理，未热处理）样品的元素分布、氧化层成分及Cr富集深度剖面

【总结与展望】

这项研究通过强场激光丝化+低温热处理，不仅在不锈钢表面构筑了高致密的复合氧化膜，更通过仿生微纳结构实现了”空气屏障”式防护，该成果揭示了“光致钝化”机制的物理过程，也为高耐蚀、长寿命的金属防护材料开发提供了全新路径。