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，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，進而達到表面改性的目的。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，實現(xiàn)木質(zhì)材料加工性能提升及功能性改性，促進木質(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，激光強度呈現(xiàn)指數(shù)級的能量衰減。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，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其進行改性時，瞬態(tài)產(chǎn)生的熱量相當(dāng)大，導(dǎo)致熱量不能及時擴散傳導(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。在一定處理條件下，激光與氣體物質(zhì)也存在相互作用，可以促進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)鍵會被打斷，促使氣體發(fā)生光反應(yīng)進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，進而達到改變木質(zhì)材料表、界面性能的作用。

激光與木質(zhì)材料相互作用機制包括光化學(xué)、光熱、光物理機制。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(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)；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)，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、激光強度、脈沖寬度、進給速度等參數(shù)對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，旨在提高木材機加工表面的光潔度。當(dāng)激光進給速度為3～5 cm/s時，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，拐點電流為20 mA；輸入電流對木材的加工深度影響顯著。原因在于輸入電流越大，激光強度越高，單位時間內(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 固體激光對竹集成材表面進行微雕加工，雕刻深度隨進給速度增加而降低；然而，當(dāng)進給速度過慢時，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激光對胡桃木、桃花心木、楊木、橡木以及松木進行微雕刻加工。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，激光低速進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間讓其表面冷卻。當(dāng)進給速度達到200 mm/s，僅有顏色變化，雕刻深度極小。同時，激光功率和脈沖寬度對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激光對黃色油漆區(qū)域清除效果更好。同時，上述兩個波長的Nd:YAG激光在去除彩繪表面污垢層的過程中不會對涂層或結(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)，進而導(dǎo)致涂層顏色變深甚至炭化表層。同時，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制，可以完全去除紅紫素層。由于清漆層對紫外波段的激光反射率較高，去除率較低；相反，對于金箔層，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。測試結(jié)果表明：中等強度(≤100 mJ/cm2)激光處理時，漆樣表面產(chǎn)生的色差較??；當(dāng)激光強度高到可以部分或全部去除漆膜保護層時，漆膜會發(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現(xiàn)選擇性消融。激光功率、進給速度、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，進而對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，進而達到表層改性的目的[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CO2激光吸收性能良好，熱效應(yīng)顯著。但各成分對CO2激光吸收系數(shù)稍有差異[20]，其中纖維素對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)定好激光噴嘴對焦距離，調(diào)整激光強度，然后按照一定軌跡和進給速度做平面掃描運動。影響木質(zhì)材料激光熱改性效果的參數(shù)主要有：進給速度、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，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；黃藍指數(shù)由18.51降至2.32[30]。對于椴木而言，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，對比分析不同部位顏色變化機理，建立色差與激光參數(shù)之間預(yù)測模型，實現(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 激光熱改性對木材表面潤濕性影響

動態(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)，對木材的膠合強度、涂飾性能及尺寸穩(wěn)定性等有顯著影響[35-37]。熱處理對于木質(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；隨進給速度的增加，接觸角減小。激光改性表面潤濕性變化趨勢同傳統(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，處理后的櫸木木材表面粗糙度變化不明顯，但當(dāng)能量密度達到較高水平時(75 J/cm2)，木材表面出現(xiàn)炭化，粗糙度顯著增加。同時，當(dāng)激光功率達到12 W時，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激光功率和進給速度對挪威楓木表面質(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，與進給速度成對數(shù)關(guān)系變化。Gurau等[28]對櫸木進行改性過程發(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，隨進給速度的增加而降低。

3.2.4 激光熱改性對木材防霉性能影響

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(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，達到較高能量密度(25 J/cm2及以上)時，CO2激光改性后的山毛櫸木材表面對黑曲霉的防治效力明顯增強，但對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，進而實現(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。木質(zhì)材料激光誘導(dǎo)實驗裝置見圖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，在氮氣保護下輻照服裝、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，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，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，D峰強度與G峰強度比(ID/IG)減弱，且2D峰增強，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、功率以及保護氣體的選擇對石墨烯生成至關(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，激光輻照強度與脈沖寬度對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，拉曼光譜顯示I2D/IG和ID/IG強度比分別為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，減少對高分子化學(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，激光功率對于材料去除率以及改性強度影響最為顯著，進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)效率及溫度場變化。利用紅外測溫儀以及有限元分析手段，對激光表面改性過程溫度場進行試驗與模擬研究，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，實現(xiàn)木質(zhì)材料高附加值利用。