木質(zhì)材料激光表面處理研究進(jìn)展

李榮榮，賀楚君，陳瑩靜，孟菲

(南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，南京 210037)

激光，由于其單色性、高能量以及方向性佳等優(yōu)勢(shì)，被用于材料的切削、表面處理、焊接等加工過程[1]。其中，激光表面處理是一種非接觸式處理方法，即利用其高能量激光束作為熱源，加熱材料表面，瞬態(tài)提高材料局部溫度，促使被加熱區(qū)域成分、物化性質(zhì)發(fā)生定向轉(zhuǎn)化，進(jìn)而達(dá)到表面改性的目的。通過改變激光類型及不同參數(shù)組合，可實(shí)現(xiàn)不同功能的表面處理工藝。

近年來，隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍也逐漸得以擴(kuò)展。木質(zhì)材料激光加工已從常規(guī)的激光切削、激光打孔、激光打標(biāo)等類型，不斷延伸到激光表面處理領(lǐng)域。木質(zhì)材料激光表面處理技術(shù)，是一種從金屬加工領(lǐng)域演化、發(fā)展而來的新型加工手段。常見表面處理類型有：木質(zhì)材料表面微加工、熱改性以及功能性改良等，最終實(shí)現(xiàn)木質(zhì)材料表層選擇性去除、外觀紋理顯現(xiàn)、表面潤濕性調(diào)控、功能性防霉或功能性材料制備等新用途，進(jìn)一步提高木質(zhì)材料附加值。木質(zhì)材料激光切削加工領(lǐng)域的研究已經(jīng)較為成熟。但是，如何拓展激光應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)木質(zhì)材料加工性能提升及功能性改性，促進(jìn)木質(zhì)材料提質(zhì)增效是未來的發(fā)展方向。

1 木質(zhì)材料激光表面處理的原理

激光束輻照木質(zhì)材料后，會(huì)出現(xiàn)透射、反射等過程[2]，激光能量被木質(zhì)材料吸收、反射或透過損失。根據(jù)能量守恒法則，激光束能量守恒公式為：

E0=E吸收+E反射+E透過

(1)

式中：E0為激光發(fā)射器發(fā)出激光的初始能量；E吸收為激光束被木質(zhì)材料各組分吸收的能量總和；E反射為激光束入射到木質(zhì)材料表面后被反射出去的能量總和；E透過為激光束穿透木質(zhì)材料后剩余的能量總和。

木質(zhì)材料表面處理過程，激光僅作用于材料表層，厚度方向上未能穿透材料，能量交換僅發(fā)生在表層吸收和反射，因此，式(1)可簡(jiǎn)化為：

E0=E吸收+E反射

(2)

通過轉(zhuǎn)化，式(2)可變換為：

(3)

激光入射到距離材料表面x距離處的激光強(qiáng)度I為[3]：

I=I0E-αx

(4)

式中：I0為入射到木質(zhì)材料表面的激光強(qiáng)度。

由式(4)可知，隨著激光入射到木質(zhì)材料內(nèi)部的深度增加，激光強(qiáng)度呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)的能量衰減。且不同材料吸收系數(shù)不同，其數(shù)值越大，能量衰減越明顯。因此，激光切削厚度較大材料的過程中，切口一般呈現(xiàn)“V”字形(圖1)，且隨著切削厚度增加，“V”字形狀更為明顯[4-5]。

圖1 木質(zhì)材料激光切縫示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser slit in wooden material

當(dāng)激光照射到木質(zhì)材料表面時(shí)，不僅產(chǎn)生熱作用，還伴隨力作用和光作用[6]。激光光子被木質(zhì)材料表面吸收的過程，即為激光能量向木質(zhì)材料表層交換的過程，隨后材料被加熱。激光光子被木質(zhì)材料吸收而產(chǎn)生的熱效應(yīng)即為激光的熱作用。由于木質(zhì)材料導(dǎo)熱系數(shù)一般不高，激光輻照到材料表面對(duì)其進(jìn)行改性時(shí)，瞬態(tài)產(chǎn)生的熱量相當(dāng)大，導(dǎo)致熱量不能及時(shí)擴(kuò)散傳導(dǎo)。木質(zhì)材料表面溫度急劇升高促使材料熔化、氣化、炭化以及木質(zhì)材料內(nèi)部水分氣化，形成蒸汽而產(chǎn)生壓力波，稱為激光的力作用。在一定處理?xiàng)l件下，激光與氣體物質(zhì)也存在相互作用，可以促進(jìn)各種新的化合物生成。如若激光光子的能量大于形成氣體的原子鍵能，氣體化學(xué)鍵會(huì)被打斷，促使氣體發(fā)生光反應(yīng)進(jìn)而形成新的特定物質(zhì)，即為激光的光作用。木質(zhì)材料激光表面處理是集熱作用、力作用以及光作用共同存在的復(fù)雜反應(yīng)過程，進(jìn)而達(dá)到改變木質(zhì)材料表、界面性能的作用。

激光與木質(zhì)材料相互作用機(jī)制包括光化學(xué)、光熱、光物理機(jī)制。在光化學(xué)作用中，電子激發(fā)直接導(dǎo)致材料組分化學(xué)鍵斷裂；在光熱作用中，光電子燒蝕發(fā)生在皮秒時(shí)間尺度內(nèi)，熱結(jié)合鍵可能發(fā)生斷裂；在光物理作用中，熱過程和非熱過程都起著重要的作用，基態(tài)和電子激發(fā)態(tài)兩種不同的鍵斷裂能同時(shí)存在。

2 激光類型及其在木質(zhì)材料表面處理中的應(yīng)用

根據(jù)不同分類依據(jù)，激光類型包括：1)按激光脈沖的連續(xù)性分為連續(xù)激光、半連續(xù)激光和脈沖激光。其中，根據(jù)脈沖寬度，脈沖激光可以分為微秒級(jí)(10 μs)、納秒(10 ns)、皮秒(10 ps)和飛秒(10 fs)激光。2)按工作介質(zhì)分為氣體激光、固體激光、半導(dǎo)體激光和液體染料激光。3)按輸出波段可分為近紅外激光、中紅外激光、遠(yuǎn)紅外激光以及紫外激光等。

現(xiàn)階段，木質(zhì)材料表面處理領(lǐng)域常用固體激光主要有Nd:YAG激光(摻釹釔鋁石榴石)、紅寶石激光等。其中，紅寶石激光器主要發(fā)射脈沖激光(納秒級(jí))；Nd:YAG激光器既可以發(fā)射脈沖激光(脈沖寬度100～10 ns，屬納秒級(jí))，亦可以發(fā)射連續(xù)激光。上述兩種固體激光常用于木質(zhì)材料表面微加工[7-9]，如木材表面木毛刺修整，古建筑或古家具表面漆膜修復(fù)等。二氧化碳激光器作為一種常用氣體激光，其波長約10.6 μm(遠(yuǎn)紅外波長)，屬于連續(xù)性激光，主要用于木質(zhì)材料表面熱處理、功能性改良等，如木質(zhì)材料表面顏色調(diào)控、基于激光輻照的木質(zhì)材料防霉改性、木質(zhì)材料表層激光誘導(dǎo)石墨烯制備及功能化應(yīng)用等。

3 木質(zhì)材料激光表面處理技術(shù)

木質(zhì)材料激光表面處理，根據(jù)加工用途通常可分為：表面微切削加工、表面熱改性、表面功能性材料構(gòu)筑等。

3.1 表面微切削加工

激光加工按其加工尺度一般可分為：光刻(<1 μm)、微細(xì)加工(1 μm～1 mm)和宏觀加工(>1 mm)3類[10]。木質(zhì)材料表面微雕刻以及選擇性消融一般切削量在1 μm～1 mm范圍內(nèi)，屬于微細(xì)加工，主要用于木質(zhì)材料表面材料選擇性去除，以達(dá)到降低粗糙度或清除污染層的目的，常見的用途有：木質(zhì)材料表面毛刺去除、古建筑或古家具等表面漆膜修復(fù)、木質(zhì)材料表面微雕等。激光微消融原理見圖2。

圖2 激光脈沖與材料相關(guān)作用 Fig.2 The correlation between laser pulses and materials

木質(zhì)材料激光微加工過程中，激光波長、激光強(qiáng)度、脈沖寬度、進(jìn)給速度等參數(shù)對(duì)微加工深度與加工表面質(zhì)量均有直接影響。吳哲等[7]利用YAG激光去除樺木和榿木表面木毛刺，旨在提高木材機(jī)加工表面的光潔度。當(dāng)激光進(jìn)給速度為3～5 cm/s時(shí)，木材表層材料的去除深度隨激光器輸入電流的增加呈現(xiàn)先增加再減小的變化趨勢(shì)，拐點(diǎn)電流為20 mA；輸入電流對(duì)木材的加工深度影響顯著。原因在于輸入電流越大，激光強(qiáng)度越高，單位時(shí)間內(nèi)輻照到木材表面的能量則越高，材料去除越明顯。李堯等[11]利用Nd:YAG 固體激光對(duì)竹集成材表面進(jìn)行微雕加工，雕刻深度隨進(jìn)給速度增加而降低；然而，當(dāng)進(jìn)給速度過慢時(shí)，材料表面明顯出現(xiàn)燒焦現(xiàn)象，影響微雕制品表面外觀質(zhì)量。Leone等[12]研究了Nd:YAG激光對(duì)胡桃木、桃花心木、楊木、橡木以及松木進(jìn)行微雕刻加工。木材表面的雕刻過程出現(xiàn)木材顏色的變化(變暗)、燒蝕以及燃燒等復(fù)雜現(xiàn)象(圖3)。功率一定時(shí)，激光低速進(jìn)給造成雕刻深度變大，炭化現(xiàn)象明顯，這是由于木材熱導(dǎo)率低，在相鄰激光脈沖之間沒有足夠的時(shí)間讓其表面冷卻。當(dāng)進(jìn)給速度達(dá)到200 mm/s，僅有顏色變化，雕刻深度極小。同時(shí)，激光功率和脈沖寬度對(duì)雕刻深度影響也較為顯著。Nath等[13]研究早晚材、徑弦向以及密度等木材自身參數(shù)對(duì)CO2雕刻效果的影響(圖4)，結(jié)果表明：激光雕刻深度隨激光功率增加而增加；相同功率下，密度越大的部位雕刻深度越淺。這種現(xiàn)象不僅表現(xiàn)在不同試件之間，即使同一個(gè)試件內(nèi)部，不同切削方向木材密度不同，切削深度也存在差異。激光脈沖寬度增加，會(huì)導(dǎo)致木材炭化程度增加[13]。

圖4 激光雕刻方向和位置示意圖Fig.4 Schematic diagrams of CO2 laser-incision strategies

激光清除技術(shù)，基于激光選擇性消融的機(jī)理被廣泛用于古家具以及木質(zhì)古文物等表面修復(fù)領(lǐng)域。通過激光輻照微量清除表層的污垢層，在非破壞模式下提高古家具以及木質(zhì)古文物表面光潔度和外觀視覺效果[14](激光去除裝置示意圖見圖5)。Castillejo等[9]利用Nd：YAG脈沖激光清理木材彩繪表面，并研究了脈沖激光波長(1 064,532,355和266 nm)對(duì)彩繪表面污垢層清理效果的影響。研究結(jié)果表明：波長為266 nm的Nd:YAG激光對(duì)彩繪中的紅色、綠色和黃色的油漆區(qū)域清除效果顯著；波長為355 nm的Nd:YAG激光對(duì)黃色油漆區(qū)域清除效果更好。同時(shí)，上述兩個(gè)波長的Nd:YAG激光在去除彩繪表面污垢層的過程中不會(huì)對(duì)涂層或結(jié)合介質(zhì)造成明顯損傷。波長為1 064和532 nm的激光更易造成彩繪表面不同程度的變色效應(yīng)。因此，不同波長的激光與彩繪表面物質(zhì)的作用機(jī)制是不同的，其中紫外波長段的激光更適合于清除木制品有機(jī)涂層的表面污垢層；但可見光和紅外波段的激光在表面清除過程中，更多地顯示出激光熱效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致涂層顏色變深甚至炭化表層。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)激光誘導(dǎo)熒光(LIF)、激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)、傅里葉變換拉曼(FT-Raman)和紅外光譜(FT-IR)可以很好地表征激光處理后的表層物質(zhì)及其化學(xué)結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。Gaspar等[15]利用1 064 nm(紅外波段)、532 nm(可見光波段，綠光)和266 nm(紫外波段)3種波段的Nd:YAG激光去除木材裝飾表層的污垢，研究發(fā)現(xiàn)：3種波段的激光與鍍金木材樣品之間相互作用類型不同。266 nm的激光通過燒蝕光解機(jī)制，可以完全去除紅紫素層。由于清漆層對(duì)紫外波段的激光反射率較高，去除率較低；相反，對(duì)于金箔層，紫外激光具有良好的去除功效。532 nm的激光可以去除紅紫素層，但很難去除金箔層。1 064 nm的激光無法清理鍍金表面，同時(shí)也無法在不破壞底層的情況下去除紅紫素層。Acquaviva等[16]分析研究了木器上3種不同的白色顏料在氟化氪(KrF)準(zhǔn)分子激光照射后顏色變化及去除率。測(cè)試結(jié)果表明：中等強(qiáng)度(≤100 mJ/cm2)激光處理時(shí)，漆樣表面產(chǎn)生的色差較?。划?dāng)激光強(qiáng)度高到可以部分或全部去除漆膜保護(hù)層時(shí)，漆膜會(huì)發(fā)生明顯的變色。Wiedemann等[17]利用Nd:YAG激光選擇性去除中世紀(jì)的木制墻板表面污垢層，以用于后期文物修復(fù)。由于污垢層的厚度、吸收率和其他特性的不同，其去除速度有所不同，需要不同的脈沖數(shù)以達(dá)到去除效果。木材凹陷處(如蟲洞等)的厚漆膜和灰泥去除速度較為緩慢。

圖5 激光清除裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of laser cleaning device

綜上所述，不用材料對(duì)于不同波長激光吸收系數(shù)不同，利用不同波長激光輻照材料可實(shí)現(xiàn)選擇性消融。激光功率、進(jìn)給速度、掃描路徑密度以及激光脈沖寬度等參數(shù)決定了單位面積內(nèi)的熱交換總量，進(jìn)而對(duì)材料去除深度以及已加工表面的外觀質(zhì)量具有直接影響。

3.2 木質(zhì)材料表面激光熱改性

木質(zhì)材料表面激光熱改性，是將激光熱源輻射于被加工材料表面，使其微觀組織結(jié)構(gòu)以及表層特性發(fā)生物理、化學(xué)變化，進(jìn)而達(dá)到表層改性的目的[18-19]。目前，用于木質(zhì)材料表面熱處理所用的激光以CO2激光為主，原因在于木質(zhì)材料各成分對(duì)CO2激光吸收性能良好，熱效應(yīng)顯著。但各成分對(duì)CO2激光吸收系數(shù)稍有差異[20]，其中纖維素對(duì)激光的可吸收波長范圍最接近CO2激光波長(10.6 μm)[21]。在激光表面熱改性過程中，工件一般保持靜止，設(shè)定好激光噴嘴對(duì)焦距離，調(diào)整激光強(qiáng)度，然后按照一定軌跡和進(jìn)給速度做平面掃描運(yùn)動(dòng)。影響木質(zhì)材料激光熱改性效果的參數(shù)主要有：進(jìn)給速度、掃描路徑密度、激光功率等。激光熱改性設(shè)備及過程見圖6。

圖6 激光熱改性設(shè)備及過程Fig.6 Laser thermal-modification equipment and process

3.2.1 激光熱改性對(duì)木材表面顏色影響

在櫸木激光熱改性過程，當(dāng)激光能量密度從7.8 J/cm2升至75 J/cm2時(shí)，處理表面顏色逐漸變深，其明度值由70.92降至29.72；紅綠指數(shù)由9.31降至1.34；黃藍(lán)指數(shù)由18.51降至2.32[30]。對(duì)于椴木而言，當(dāng)激光能量密度由9 J/cm2升至29 J/cm2，表面顏色明度明顯下降，呈現(xiàn)暗黑色[34]。楊木激光改性過程中，其顏色的總色差隨激光功率和掃描路徑密度的增加而增加，隨進(jìn)給速度的增加而下降。櫸木、椴木和楊木3種木材在不同激光參數(shù)條件下的顏色變化見圖7。對(duì)于楊木而言，其原色為淺色，紋理不清晰，但是經(jīng)過激光處理后顏色更加紅潤，且紋理凸顯，外觀效果良好。原因在于木材不同位置組分含量不同，各組分對(duì)于激光吸收程度不一，造成一定顏色差異，紋理凸顯。未來有望通過深入研究，對(duì)比分析不同部位顏色變化機(jī)理，建立色差與激光參數(shù)之間預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)木材顏色精準(zhǔn)調(diào)控，用于改善淺色與紋理單一的木材表面外觀視覺效果。

A)櫸木；B)椴木；C～E)楊木。圖7 不同木材激光改性后顏色效果Fig.7 Color effects of different laser modified wood samples

3.2.2 激光熱改性對(duì)木材表面潤濕性影響

動(dòng)態(tài)潤濕性是反映液體在材料表面延展和浸潤過程的重要參數(shù)指標(biāo)，對(duì)木材的膠合強(qiáng)度、涂飾性能及尺寸穩(wěn)定性等有顯著影響[35-37]。熱處理對(duì)于木質(zhì)材料表面潤濕性也有顯著影響，原因大致有以下幾種：1)纖維素結(jié)晶度的增加；2)木質(zhì)材料脫水導(dǎo)致生物高分子聚合物的結(jié)構(gòu)重構(gòu)；3)木質(zhì)素的塑化作用[38-40]。Li等[19]研究了CO2激光改性楊木表面潤濕性，研究結(jié)果表明：激光熱改性后的楊木表面水的初始接觸角和平衡接觸角分別提高了6.4%～39.0%和67.1%～100.7%。且隨著激光功率和掃描路徑密度的增加，改性楊木表面水的接觸角增加；隨進(jìn)給速度的增加，接觸角減小。激光改性表面潤濕性變化趨勢(shì)同傳統(tǒng)熱處理結(jié)果基本一致，即隨著處理溫度的增加，熱處理材表面潤濕性降低[41]。Kúdela等[27,41]發(fā)現(xiàn)：激光輻照和掃描路徑密度的增加導(dǎo)致山毛櫸木材表面水的接觸角增加，表面自由能值降低。激光輻照木材表面上的水與二碘甲烷液滴完全浸潤所需的平均時(shí)間分別為20～100 s和17～50 s，改性后的表面表現(xiàn)出較高的疏水性。

3.2.3 激光熱改性對(duì)木材表面粗糙度影響

激光輻照或其他熱源作用下，出現(xiàn)木材表層細(xì)胞破裂，組織氣化而被去除以及木材炭化等過程，導(dǎo)致木材表面微觀形貌發(fā)生改變[42-43]。Kúdela等[41]研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)激光處于低能量密度時(shí)，處理后的櫸木木材表面粗糙度變化不明顯，但當(dāng)能量密度達(dá)到較高水平時(shí)(75 J/cm2)，木材表面出現(xiàn)炭化，粗糙度顯著增加。同時(shí)，當(dāng)激光功率達(dá)到12 W時(shí)，粗糙度和波紋度均顯著增加。粗糙度參數(shù)Ra、Rq、Rz、Rt、Wa、Wt均隨著掃描路徑密度的增大而增大[27]。Gurau等[44]研究了CO2激光功率和進(jìn)給速度對(duì)挪威楓木表面質(zhì)量的影響。研究發(fā)現(xiàn)：木材表面粗糙度隨激光功率呈線性增加，與進(jìn)給速度成對(duì)數(shù)關(guān)系變化。Gurau等[28]對(duì)櫸木進(jìn)行改性過程發(fā)現(xiàn)：激光熱處理表面粗糙度值(Ra、Rq、Rt、Rk、Rpk、Rvk)隨激光功率的增加而增加，隨進(jìn)給速度的增加而降低。

3.2.4 激光熱改性對(duì)木材防霉性能影響

由于木質(zhì)材料中含有一定營養(yǎng)物質(zhì)，在適宜的溫度和濕度條件下，容易發(fā)生霉變和腐朽。高溫?zé)崽幚砟軌蛴行Ы档湍静膬?nèi)部糖分、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)的含量，以提高木質(zhì)材料耐腐性能[45-46]。激光輻照，亦能促進(jìn)木質(zhì)材料內(nèi)部營養(yǎng)物質(zhì)分解以及降低表面親水性能，進(jìn)而阻斷霉菌生長的有利條件，一定程度上提高木質(zhì)材料耐腐性能。Vidholdová等[30]研究了激光輻照改性櫸木表面耐腐性能，研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)激光能量密度較低時(shí)(7.8～18.8 J/cm2)，改性櫸木表面的耐腐性能變化不明顯；隨著能量密度繼續(xù)增加，達(dá)到較高能量密度(25 J/cm2及以上)時(shí)，CO2激光改性后的山毛櫸木材表面對(duì)黑曲霉的防治效力明顯增強(qiáng)，但對(duì)青霉菌的防治效力變化不大。

3.3 木質(zhì)材料激光誘導(dǎo)改性

激光誘導(dǎo)，即通過激光輻照促使木質(zhì)材料化學(xué)組分、微觀結(jié)構(gòu)及性能發(fā)生定向改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)木質(zhì)材料功能性改性的目的。近年來，激光誘導(dǎo)木質(zhì)材料制備石墨烯等碳材料越來越受到研究者們的關(guān)注。激光輻照的含碳前驅(qū)體可直接在選定區(qū)域合成石墨烯，并通過改變激光參數(shù)，控制激光誘導(dǎo)石墨烯(LIG)晶體的結(jié)構(gòu)形態(tài)和性能[47-48]。激光誘導(dǎo)一步法制備石墨烯具有無催化劑、無毒、可控性好、無接觸等優(yōu)點(diǎn)。木質(zhì)材料激光誘導(dǎo)實(shí)驗(yàn)裝置見圖8。

圖8 激光誘導(dǎo)裝置(a)及激光誘導(dǎo)木材表面(b)Fig.8 Set-up for laser-induce (a) and laser induced wood surface (b)

Chyan等[49]利用CO2激光，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下輻照服裝、紙張和面包。拉曼光譜表明：輻照后3種材料表面均有石墨烯結(jié)構(gòu)形成。Ye等[50]利用CO2激光輻照松木、樺木和橡木，并通過惰性氣體保護(hù)，成功制備了石墨烯。通過X射線光電子能譜(XPS)分析輻照材料表面化學(xué)結(jié)構(gòu)變化，波譜結(jié)果表明：處理后的材料C—O鍵減少，C—C增加。同時(shí)，拉曼光譜中D峰變寬，微弱的2D峰出現(xiàn)，表明木材開始轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形碳；當(dāng)激光功率從37.5 W增加到67.5 W時(shí)，D峰強(qiáng)度與G峰強(qiáng)度比(ID/IG)減弱，且2D峰增強(qiáng)，表明無定形碳選擇性地吸收激光能量后轉(zhuǎn)變?yōu)槭┙Y(jié)構(gòu)。木質(zhì)材料激光誘導(dǎo)過程中，除激光波長、功率以及保護(hù)氣體的選擇對(duì)石墨烯生成至關(guān)重要，木質(zhì)素含量也直接影響石墨烯的形成。木質(zhì)素含量越多的材料，越容易形成LIG[51]。Trusovas等[52]利用近紅外皮秒和納秒激光輻照松木表面制備LIG，激光輻照強(qiáng)度與脈沖寬度對(duì)LIG結(jié)構(gòu)和質(zhì)量影響顯著。當(dāng)納秒激光能量密度為662 J/cm2時(shí)，拉曼光譜顯示I2D/IG和ID/IG強(qiáng)度比分別為1.10和0.69，表明松木表面出現(xiàn)了質(zhì)量較高的多層石墨烯結(jié)構(gòu)，其平均晶體尺寸為31 nm，但是皮秒激光由于輻照過程表面能量過高，擾亂晶格結(jié)構(gòu)形成，只發(fā)現(xiàn)少量低質(zhì)量的石墨烯碎片存在。因此，激光誘導(dǎo)木質(zhì)材料可實(shí)現(xiàn)石墨烯結(jié)構(gòu)有效形成。

石墨烯及其衍生物(氧化石墨烯、還原氧化石墨烯)具有優(yōu)異的物理性質(zhì)，在材料學(xué)、能源、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[53]。LIG可用于柔性導(dǎo)電材料、超級(jí)電容器以及改善材料防霉、抗菌性能、太陽蒸發(fā)器等領(lǐng)域[54-55](圖9)，具有良好的應(yīng)用前景及研究價(jià)值。未來有望基于木質(zhì)材料通過激光輻照制備高性能、高附加值新材料，以提高木質(zhì)產(chǎn)品附加值；同時(shí)，減少對(duì)高分子化學(xué)材料的依賴，形成綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)鏈。

圖9 激光誘導(dǎo)石墨烯常見應(yīng)用領(lǐng)域[54-55]Fig.9 The common applications of laser induced graphene

4 展 望

不同材料對(duì)于不同波長的激光吸收系數(shù)不同，可用特定波長激光選擇性去除相應(yīng)材料。激光改性參數(shù)中，激光功率對(duì)于材料去除率以及改性強(qiáng)度影響最為顯著，進(jìn)給速度和掃描路徑密度等參數(shù)影響次之。目前，激光誘導(dǎo)改性領(lǐng)域的研究主要集中在激光誘導(dǎo)參數(shù)對(duì)木質(zhì)材料表面性能的影響規(guī)律，基礎(chǔ)理論研究與相關(guān)改性機(jī)理研究尚不深入。木質(zhì)材料激光表面處理還有一些問題有待進(jìn)一步深入研究：

1)激光誘導(dǎo)過程中，木質(zhì)材料化學(xué)組分轉(zhuǎn)化與結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。探究木質(zhì)材料不同化學(xué)組分對(duì)于不同類型激光的吸收性能，以及激光熱/光電子效應(yīng)作用后，木質(zhì)材料各化學(xué)組分變化規(guī)律，為后期改性工藝制定提供理論支撐。

2)改性表面微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)組分變化與材料表面特性變化的相關(guān)性。通過對(duì)微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)組分的深入研究，探明木質(zhì)材料改性表面特性變化機(jī)制。

3)木質(zhì)材料激光表面改性過程熱傳導(dǎo)效率及溫度場(chǎng)變化。利用紅外測(cè)溫儀以及有限元分析手段，對(duì)激光表面改性過程溫度場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)與模擬研究，探明不同改性條件下，激光熱效應(yīng)差異以及對(duì)木質(zhì)材料表面特性影響規(guī)律。

基于上述理論研究的不斷深入，未來木質(zhì)材料激光表面改性應(yīng)用研究方向包括：

1)木材表面紋理凸顯。通過激光熱改性，木材表面顏色發(fā)生一定變化，且不同位置顏色變化趨勢(shì)不同，輻照后木材紋理更加凸顯，外觀效果顯著提高。

2)木質(zhì)材料表面輕碳化。以高能量密度激光為熱源，快速實(shí)現(xiàn)木質(zhì)材料表面碳化，改善木質(zhì)材料表面潤濕性、顏色等性能。

3)古家具及木質(zhì)古文物表面修復(fù)。利用激光的選擇性特性，實(shí)現(xiàn)古家具及木質(zhì)古文物表面污染層定量清除，為后期修復(fù)提供良好基礎(chǔ)。

4)木基功能性材料制備。通過激光誘導(dǎo)木質(zhì)材料組分與結(jié)構(gòu)可控轉(zhuǎn)化，制備LIG，實(shí)現(xiàn)木質(zhì)材料高附加值利用。