[发明专利]超短脉冲激光表面结构改性制造高吸收率黑色金属的方法

说明书

本发明公开了一种超短脉冲激光表面结构改性制造高吸收率黑色金属的方法。该方法能够实现快速的、大面积均匀的表面改性区域，亦可通过改变激光聚焦的聚焦度实现μm量级区域的表面改性。此外该方法还可对磁控溅射、真空离子镀膜及等离子体喷涂镀膜在不对基底产生影响的状态下进行表面改性。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种超短脉冲激光表面结构改性制造高吸收率黑色金属的方法。

背景技术

在现代战争中，胜负的关键取决于谁先发现对方并加以摧毁，因此隐身技术已经成为现代战争中起关键作用的先进技术之一。潜艇作为现代战争中必不可少的重型武器，其在战争中主要的优势为隐蔽性。然而，随着现代军事技术中目标探测技术的迅速发展，各国已经形成了空中，水面，水下环境的反潜侦察系统。目前军事上最重要的侦察手段为雷达侦察系统，它是借助物体反射雷达波的特性来测量，发现目标。潜艇在水下航行时，其潜望镜及雷达天线需要经常在露出水面情况下工作。尤其是对于常规动力潜艇要周期性地浮于水面进行工作与休整，导致潜艇常处于暴露状态，易于被敌方雷达发现。这是因为金属都是良好的导体，其磨光的表面对电磁波具有很高的反射率。目前，较为有效的防侦察措施为在这些武器上涂覆雷达吸收材料，如XFT-2型雷达吸波涂料。一般雷达吸波涂料主要由基料与吸收剂组成。而由于潜艇要长时间在水下航行，在具有较大水压的情况下，涂覆的吸波涂料在潜艇表面会发生开裂甚至脱落的现象，严重影响防雷达侦测能力。

飞秒激光以其能量密度高、烧蚀阈值确定、在低激光计量下热影响区可忽略，高精确度和无冲击波等优点被广泛地应用于材料加工以及材料表面改性领域。使用飞秒激光直接对潜艇关键部件进行表面材料改性，增加表面材料的吸收率。我们的实验表明，使用飞秒激光对低Z金属材料铝(Al)，贵金属材料铜(Cu)，中Z金属材料钼(Mo)以及高Z金属材料钨(W)进行表面改性，通过选择适当的激光参数可使金属材料表面吸收率增加到95％以上。此外，激光材料表面改性技术对环境适应性强，且为直接通过与被改性材料相互作用达到增加吸收率的目的，避免了使用基料和吸收剂，不会在潜艇表面发生开裂与脱落等现象，可极大的提高潜艇的防侦测能力。

此外，金属材料处于大气环境中，会不可避免地发生物理、化学吸附。对于最常使用的结构类材料，比如钢材料来说，被吸附的H₂O会与局部的铁、碳组成微电池系统，发生电解、氧化等化学反应。而长时间电解、氧化势必会对金属材料造成腐蚀，影响其力学性能及使用寿命。

发明内容

为了增强结构钢材的使用寿命，提高其抗氧化能力及力学性能，一般可以使用等离子体镀膜及等离子体喷涂技术在材料表面沉积薄膜，如使用抗氧化能力强的金属对其钢材料进行表面镀膜。而考虑到飞秒激光在低激光计量下热效应可以忽略的优点，可以使用其对金属表面镀膜进行表面改性，优化其光学性能而不对基底造成任何影响。我们的实验表明，使用飞秒激光可实现在损伤纳米量级的表面金属材料情况下对其表面的性能进行改性，近似为一种无损改性方法。本发明亦可对镀膜材料表面改性，在增加其防腐能力及力学性能的同时，增加其吸收率。

本发明提供的一种超短脉冲激光表面结构改性制造高吸收率黑色金属的方法，包括以下步骤：

(1)使用数据采集分析计算机触发FPGA时序模块；

(2)按照已经设置好的时序分别触发超短脉冲烧蚀激光器、加工机床与电磁波发射器、电磁波探测器；

(3)超短脉冲烧蚀激光器发出的激光，经过激光扩束仪扩束，这样做的好处一可以降低激光对光学元件的损坏概率；二可以经由抛物面镜把激光聚焦到μm量级，三对于fs激光而言可以减少激光在空气中的自聚焦现象；

(4)被扩束的激光经由半波片与偏振立方体通过旋转半波片的角度对激光能量进行调控，这样做的好处为降低由不同激光能量下光束直径改变引起的实验误差，被分开的两束激光一部分激光用于烧蚀沉积膜一部分激光进入残余激光吸收器；

(5)透过偏振立方体的飞秒激光通过一块抛物面镜聚焦，到达被加工材料并对其进行改性；