一种具有高发射率多级微纳复合结构的铝合金表面及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有高发射率多级微纳复合结构的铝合金表面及其制备方法，属于激光微纳加工技术领域，多级微纳复合结构包括结构层及氧化层；结构层由飞秒激光直写得到，氧化层通过微弧氧化方式覆盖在结构层之上，结构层由微米量级的微锥结构及位于其表面的纳米量级的颗粒结构及非周期性的微孔结构组成，非周期性微孔结构的微孔与纳米量级的颗粒相邻；本发明专利技术利用飞秒激光的超短脉冲和极高的峰值功率对材料进行烧蚀去除，场镜聚焦的三维振镜加工系统快速的制备出所需要的微纳米复合结构，此时就具有很好的宽谱发射率，再经过后续的微弧氧化处理，进一步提高发射率性能；即激光加工形成丰富的多层次陷光结构，微弧氧化进一步解决材料的化学改性。解决材料的化学改性。解决材料的化学改性。

【技术实现步骤摘要】
一种具有高发射率多级微纳复合结构的铝合金表面及其制备方法


[0001]本专利技术属于激光微纳加工
，具体涉及微弧氧化辅助的飞秒激光直写技术实现铝合金表面的高发射率结构的快速制备，利用场镜聚焦飞秒激光在铝合金表面快速往返扫描制备多级微纳复合结构，再加上微弧氧化引入的厚氧化层，以实现铝合金表面高发射率结构的快速稳定制备。

技术介绍

[0002]近年来，在宽带光谱上具有最小光学反射的功能性金属表面由于其实用价值吸引了科研人员广泛的研究兴趣，大量的研究工作集中于开发在电磁光谱的红外区域具有高电磁吸收或发射的表面，在卫星对地观测，航天器热管理等领域都具有至关重要的作用，然而金属和自由空间之间固有的大的光阻抗失配给实现这一目的造成了巨大的障碍。
[0003]目前主流的具有高发射率的表面处理手段可简单分为三类：
[0004]一、高发射率涂层和涂料；涂层和涂料法具有很多优点，包括使用简单，适用性广；但同时也有不可避免的缺点就在于吸收光谱通常是窄带吸收，还有就是涂料可能存在环境污染的困扰，并且稳定性是一个很大的问题，在恶劣的环境比如太空中非常容易失去效果；
[0005]二、超材料；超材料是一个比较好的代替手段，通过使用交替的金属介质层和具有不同的表面形状的超材料，理论工作已经证明了在红外光谱的各种波长范围内可调、近乎完美的广角吸收，但这些结构制备方法例如光刻的复杂性，以及成品的稳定性依然是一个很大的问题，不适用于大面积快速制造的要求；
[0006]三、激光处理表面；在文献中目前也有一些工作是利用激光处理金属表面来得到一个较好的光吸收效果，所采用的微结构有微孔，微锥等微结构，但仅通过激光处理得到宽谱光吸收的金属表面的研究方法尚不成熟，一是效率较慢，二是发射率很难提高到95％以上。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本专利技术要解决的技术问题是：提供一种具有高发射率多级微纳复合结构的铝合金表面及其制备方法，利用场镜聚焦飞秒激光对铝合金表面进行快速的网格状往返扫描，由于飞秒激光超短的脉冲周期和极高的峰值功率，加工过程中热效应低，可以直接和永久性地改变材料的表面结构，得到所期待的微纳米复合结构，即大量的纳米粒子附着在周期性排列的微米量级的锥结构上；另外飞秒激光快速处理过后的微纳米复合结构再进行微弧氧化的后处理过程，在表面形成一层具有非周期性微孔结构的氧化层；微米量级的微锥结构作为微腔结构的一种，具有非常好的几何陷光作用，即入射光线在微锥结构的侧壁来回向下反射，在这个过程中最终被层层吸收；纳米量级的颗粒结构是一种多层级的分布，可以作为有效的介质层来缓解金属和自由空间之间固有的大的光阻抗失配，减少不同折射率介质之间的菲涅尔反射，微纳米复合结构可以起到协同作用来极大的
增强宽谱光吸收；非周期性微孔结构的作用类似于微米量级的微锥结构，主要通过几何陷光来吸收入射光线。本专利技术所制备的多级微纳复合结构针对宽谱的入射光能起到一个非常不错的吸光效果；
[0008]而由微弧氧化得到的氧化层本身在中长波红外区域范围内可以形成纳米吸光中心来继续增加该波长范围内的光吸收，这是由纳米氧化铝本身的特征吸收带(10
‑
25μm)所决定的；同时在中短波红外区域则可以通过激光加工和微弧氧化得到的多级微纳复合结构来进行有效补偿，从而得到更高的发射率。即微弧氧化带来的附加结构和化学改性可以进一步提高金属表面的发射率。即激光加工形成丰富的多层次陷光结构，微弧氧化进一步解决材料的化学改性，二者缺一不可。
[0009]本专利技术通过如下技术方案实现：
[0010]一种具有高发射率多级微纳复合结构的铝合金表面的制备方法，具体包括步骤如下：
[0011]步骤一：待加工样品处理；
[0012]首先将待加工的铝合金样品放在加有丙酮溶液的密封聚四氟乙烯烧杯中超声清洗后取出，依次经过乙醇和去离子水冲洗并放置在低温烘箱内烘干；然后将铝合金样品拿出备用，样品制备完成；
[0013]步骤二：在大气环境下进行飞秒激光铝合金样品加工；
[0014]首先，将样品固定在二维移动平台上，二维移动平台由两个一维移动位移台组成，用于满足样品在XY平面的精确移动；飞秒激光放大器出射的飞秒激光经过扩束后进入场镜聚焦的三维振镜加工系统，三维振镜加工系统的振镜安装在一个可上下移动的z轴位移台上，经过振镜偏转的飞秒激光再经过场镜聚焦到铝合金的上表面；随后，利用样品表面扫描一个小网格的方法确认激光焦点位于样品表面，然后将预先设计好的加工文件读入加工程序，采用x轴逐行来回扫描后再在y轴方向进行逐列来回扫描的方法进行直写加工，利用场镜聚焦的三维振镜加工系统的高速扫描方式在铝合金表面快速制备多级微纳复合结构；
[0015]步骤三：铝合金样品后续的微弧氧化处理；
[0016]首先，将步骤二加工得到的样品置于去离子水中超声清洗，用来清理加工之后残留的碎屑，只留下稳定存在的微米锥和纳米颗粒结构，然后用烘干机烘干或用洗耳球吹干；随后，将经过超声清洗后的样品置于装有电解液的微弧氧化专用反应池内，通入合适的脉冲电压，经过合适的氧化时间后取出；至此，高发射率的铝合金样品制备完成。
[0017]进一步地，步骤一中所述的待加工的铝合金样品，材质本身不局限于单一的铝合金样品，而是应该包含各种铝合金，例如6061铝合金，1060铝合金等；铝合金样品的大小为5cm
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10cm，厚度为1mm
‑
10mm，聚四氟乙烯烧杯密封在通风橱内超声是为了防止丙酮溶液挥发，超声时间0.1h
‑
2h，低温烘箱温度设置为50℃
‑
100℃。
[0018]进一步地，步骤二中的二维移动平台的x轴和y轴移动范围为0
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10cm，z轴位移台的移动范围为0
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10cm，精度为1μm；三维振镜加工系统中所用到的振镜由X
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Y光学扫描头、电子驱动放大器和光学反射镜片组成，电脑控制器提供的信号发送至电子驱动放大器,电子驱动放大器用于驱动X
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Y光学扫描头,从而在X
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Y平面控制激光束的高速偏转，移动精度为10
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100nm；经过振镜偏振的激光再经过场镜F聚焦于样品表面，实现飞秒激光直写加工。
[0019]进一步地，步骤二中的飞秒激光的基频波长为1030nm，经过二倍频波长变为
515nm，为可见区飞秒激光，或三倍频得到343nm的近紫外飞秒激光；当然，选用纳秒激光或者皮秒激光也可以快速完成网格状微纳米复合结构的制备；激光的重复频率为50kHz
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1000kHz，脉冲宽度为280fs；采用的聚焦场镜的焦距为5
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20cm，满足大面积加工要求，甚至采用物镜或者透镜聚焦依然可以快速制备所需的网格状微纳米复合结构；激光烧蚀的单脉冲能量1
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100μJ，激光扫描速度1
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1000mm/s，满足高速加工的要求；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有高发射率多级微纳复合结构的铝合金表面的制备方法，其特征在于，具体包括步骤如下：步骤一：待加工样品处理；首先将待加工的铝合金样品放在加有丙酮溶液的密封聚四氟乙烯烧杯中超声清洗后取出，依次经过乙醇和去离子水冲洗并放置在低温烘箱内烘干；然后将铝合金样品拿出备用，样品制备完成；步骤二：在大气环境下进行飞秒激光铝合金样品加工；首先，将样品固定在二维移动平台上，二维移动平台由两个一维移动位移台组成，用于满足样品在XY平面的精确移动；飞秒激光放大器出射的飞秒激光经过扩束后进入场镜聚焦的三维振镜加工系统，三维振镜加工系统的振镜安装在一个可上下移动的z轴位移台上，经过振镜偏转的飞秒激光再经过场镜聚焦到铝合金的上表面；随后，利用样品表面扫描一个小网格的方法确认激光焦点位于样品表面，然后将预先设计好的加工文件读入加工程序，采用x轴逐行来回扫描后再在y轴方向进行逐列来回扫描的方法进行直写加工，利用场镜聚焦的三维振镜加工系统的高速扫描方式在铝合金表面快速制备多级微纳复合结构；步骤三：铝合金样品后续的微弧氧化处理；首先，将步骤二加工得到的样品置于去离子水中超声清洗，用来清理加工之后残留的碎屑，只留下稳定存在的微米锥和纳米颗粒结构，然后用烘干机烘干或用洗耳球吹干；随后，将经过超声清洗后的样品置于装有电解液的微弧氧化专用反应池内，通入合适的脉冲电压，经过合适的氧化时间后取出；至此，高发射率的铝合金样品制备完成。2.如权利要求1所述的一种具有高发射率多级微纳复合结构的铝合金表面的制备方法，其特征在于，步骤一中所述的待加工的铝合金样品为6061铝合金或1060铝合金；铝合金样品的大小为5cm
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10cm，厚度为1mm
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10mm，聚四氟乙烯烧杯密封在通风橱内超声是为了防止丙酮溶液挥发，超声时间0.1h
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2h，低温烘箱温度设置为50℃
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100℃。3.如权利要求1所述的一种具有高发射率多级微纳复合结构的铝合金表面的制备方法，其特征在于，步骤二中的二维移动平台的x轴和y轴移动范围为0
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10cm，z轴位移台的移动范围为0
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10cm，精度为1mm；三维振镜加工系统中所用到的振镜由X
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Y光学扫描头、电子驱动放大器和光学反射镜片组成，电脑控制器提供的信号发送至电子驱动放大器,电子驱动放大器用于驱动X
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Y光学扫描头,从而在X
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Y平面控制激光束的高速偏转，移动精度为10
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100nm；经过振镜偏振的激光再经过场镜F聚焦于样品表面，实...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙洪波，祁金勇，刘学青，陈岐岱，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：