[發(fā)明專利]一種超快激光加工碳化物基金屬陶瓷表面微納結(jié)構(gòu)降低光反射率的方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811474857.1
• 申請日: 2018-12-04
• 公開（公告）號: CN109848551A
• 公開（公告）日: 2019-06-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 管迎春;王海鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: B23K26/14
• 分類號: B23K26/14;B23K26/36;B23K26/402;B23K26/70
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一種利用超快激光在碳化物基金屬陶瓷表面加工微納結(jié)構(gòu)降低光反射率的方法，通過使用超快激光在碳化鎢?鈷等具有高吸收率和低輻射率的金屬陶瓷材料表面加工微納結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)材料表面光反射率在可見光譜范圍內(nèi)降低60％以上，使這種材料在光熱轉(zhuǎn)換高溫應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景。本發(fā)明利用超快激光在金屬陶瓷材料表面加工微納結(jié)構(gòu)降低光反射率的方法按以下步驟實現(xiàn)：一、將金屬陶瓷材料表面進(jìn)行磨削與拋光；二、利用超快激光加工工藝在金屬陶瓷表面加工出微納結(jié)構(gòu)；三、將激光加工后的金屬陶瓷材料置于無水乙醇或水溶液中進(jìn)行超聲波清洗，即實現(xiàn)光反射率顯著降低。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及超快激光加工微納減反結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種利用超快激光在碳化物基金屬陶瓷表面加工微納結(jié)構(gòu)降低光反射率的方法。

研究背景

太陽能作為一種取之不竭的清潔能源成為人類開發(fā)利用的綠色能源之一。光熱轉(zhuǎn)換通過集熱系統(tǒng)聚集吸收太陽輻射能并將其轉(zhuǎn)化為熱能，是太陽能轉(zhuǎn)化與應(yīng)用形式之一。太陽能光譜選擇性吸收涂層是太陽能光熱轉(zhuǎn)換關(guān)鍵器件-集熱器的關(guān)鍵材料技術(shù)，也是太陽能材料研究領(lǐng)域的研究熱點。涂層材料要求其在太陽輻射光譜300nm-2.5μm范圍內(nèi)具有高的吸收率和低的法向紅外輻射率。太陽能光熱轉(zhuǎn)換根據(jù)其應(yīng)用溫度可分為熱能低溫應(yīng)用(≤100℃，如熱水)、熱能中溫應(yīng)用(100-240℃，如工業(yè)蒸汽、空調(diào)、釀酒、海水淡化等)和熱能高溫應(yīng)用(≥240℃，即聚焦熱發(fā)電技術(shù))。近十幾年來，光譜選擇性吸收涂層材料在太陽能的中低溫轉(zhuǎn)換與應(yīng)用中得到大量研究和迅速發(fā)展，如其在太陽能熱水器方面的應(yīng)用已商業(yè)化。但在中高溫的太陽能轉(zhuǎn)換與應(yīng)用領(lǐng)域，由于應(yīng)用要求涂層材料在高溫狀態(tài)下具有高吸收率和低法向紅外輻射率的同時，還需具備耐高溫、長壽命、低成本等特性。國外已開展多年的中高溫選擇性吸收涂層材料的研究，并積累了豐富的運行數(shù)據(jù)。將高吸收率和紅外透明的金屬-介電涂層(如Co/WC，Pt/Al₂O₃，Mo/Si₃N₄，W/AlN)沉積到高紅外反射基板表面已成為開發(fā)高溫光熱轉(zhuǎn)換應(yīng)用的太陽光選擇性吸收涂層的有效方法。通過選擇涂層材料、優(yōu)化成分配比和顆粒尺寸以及結(jié)構(gòu)設(shè)計，已開發(fā)出多種吸收率高于0.9和輻射率低于0.2的高溫光熱轉(zhuǎn)換應(yīng)用的涂層材料。

高溫和超高溫碳化物基金屬陶瓷材料(如碳化鎢、碳化鉭、碳化鋯、碳化鉿等)具有非常高的熔點和性能熱穩(wěn)定性，在極限條件下能夠保持正常工作狀態(tài)，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。近年來，國外研究機構(gòu)利用激光微納加工技術(shù)對碳化鋯、碳化鉿、碳化鉭等超高溫陶瓷材料在太陽光輻射光譜范圍內(nèi)的吸收率和輻射率進(jìn)行了研究。表明，在碳化鋯等超高溫材料表面通過微納結(jié)構(gòu)化處理可使材料的光吸收率顯著提高，使這種超高溫材料在光熱轉(zhuǎn)換高溫應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景。通過優(yōu)化WC/Co成分和粗細(xì)晶粒配比，可使WC/Co金屬陶瓷材料的太陽光吸收率達(dá)到0.87。

本發(fā)明專利利用超快激光在WC-Co等碳化物基金屬陶瓷表面制備微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，使材料表面在可見光范圍內(nèi)的反射率顯著下降。

發(fā)明內(nèi)容

為研究高吸收率和低輻射率的碳化物基金屬陶瓷表面在太陽光譜范圍內(nèi)的光學(xué)性能，本發(fā)明提出一種利用超快激光在碳化物基金屬陶瓷表面加工微納結(jié)構(gòu)降低光反射率的方法，激光加工工藝簡單、成本低。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種利用超快激光在碳化物基金屬陶瓷表面加工微納結(jié)構(gòu)降低光反射率的方法，包括以下步驟：

步驟一、選擇用于加工微納結(jié)構(gòu)降低光反射率的金屬陶瓷材料；

步驟二、將金屬陶瓷材料表面進(jìn)行磨削與拋光；

步驟三、設(shè)計利用超快激光在金屬陶瓷材料表面欲加工的微納減反結(jié)構(gòu)；

步驟四、確定超快激光加工參數(shù)，選用激光加工功率為0.1～10W，激光頻率為10～1000kHz，脈沖寬度為0.01～1000ps，波長為300～1300nm；