[发明专利]一种超快激光加工碳化物基金属陶瓷表面微纳结构降低光反射率的方法

说明书

一种利用超快激光在碳化物基金属陶瓷表面加工微纳结构降低光反射率的方法，通过使用超快激光在碳化钨‑钴等具有高吸收率和低辐射率的金属陶瓷材料表面加工微纳结构，实现材料表面光反射率在可见光谱范围内降低60％以上，使这种材料在光热转换高温应用领域展现出较好的应用前景。本发明利用超快激光在金属陶瓷材料表面加工微纳结构降低光反射率的方法按以下步骤实现：一、将金属陶瓷材料表面进行磨削与抛光；二、利用超快激光加工工艺在金属陶瓷表面加工出微纳结构；三、将激光加工后的金属陶瓷材料置于无水乙醇或水溶液中进行超声波清洗，即实现光反射率显著降低。

技术领域

本发明涉及超快激光加工微纳减反结构技术领域，特别是涉及一种利用超快激光在碳化物基金属陶瓷表面加工微纳结构降低光反射率的方法。

研究背景

太阳能作为一种取之不竭的清洁能源成为人类开发利用的绿色能源之一。光热转换通过集热系统聚集吸收太阳辐射能并将其转化为热能，是太阳能转化与应用形式之一。太阳能光谱选择性吸收涂层是太阳能光热转换关键器件-集热器的关键材料技术，也是太阳能材料研究领域的研究热点。涂层材料要求其在太阳辐射光谱300nm-2.5μm范围内具有高的吸收率和低的法向红外辐射率。太阳能光热转换根据其应用温度可分为热能低温应用(≤100℃，如热水)、热能中温应用(100-240℃，如工业蒸汽、空调、酿酒、海水淡化等)和热能高温应用(≥240℃，即聚焦热发电技术)。近十几年来，光谱选择性吸收涂层材料在太阳能的中低温转换与应用中得到大量研究和迅速发展，如其在太阳能热水器方面的应用已商业化。但在中高温的太阳能转换与应用领域，由于应用要求涂层材料在高温状态下具有高吸收率和低法向红外辐射率的同时，还需具备耐高温、长寿命、低成本等特性。国外已开展多年的中高温选择性吸收涂层材料的研究，并积累了丰富的运行数据。将高吸收率和红外透明的金属-介电涂层(如Co/WC，Pt/Al₂O₃，Mo/Si₃N₄，W/AlN)沉积到高红外反射基板表面已成为开发高温光热转换应用的太阳光选择性吸收涂层的有效方法。通过选择涂层材料、优化成分配比和颗粒尺寸以及结构设计，已开发出多种吸收率高于0.9和辐射率低于0.2的高温光热转换应用的涂层材料。

高温和超高温碳化物基金属陶瓷材料(如碳化钨、碳化钽、碳化锆、碳化铪等)具有非常高的熔点和性能热稳定性，在极限条件下能够保持正常工作状态，被广泛应用于航空航天领域。近年来，国外研究机构利用激光微纳加工技术对碳化锆、碳化铪、碳化钽等超高温陶瓷材料在太阳光辐射光谱范围内的吸收率和辐射率进行了研究。表明，在碳化锆等超高温材料表面通过微纳结构化处理可使材料的光吸收率显著提高，使这种超高温材料在光热转换高温应用领域展现出较好的应用前景。通过优化WC/Co成分和粗细晶粒配比，可使WC/Co金属陶瓷材料的太阳光吸收率达到0.87。

本发明专利利用超快激光在WC-Co等碳化物基金属陶瓷表面制备微纳复合结构，使材料表面在可见光范围内的反射率显著下降。

发明内容

为研究高吸收率和低辐射率的碳化物基金属陶瓷表面在太阳光谱范围内的光学性能，本发明提出一种利用超快激光在碳化物基金属陶瓷表面加工微纳结构降低光反射率的方法，激光加工工艺简单、成本低。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种利用超快激光在碳化物基金属陶瓷表面加工微纳结构降低光反射率的方法，包括以下步骤：

步骤一、选择用于加工微纳结构降低光反射率的金属陶瓷材料；

步骤二、将金属陶瓷材料表面进行磨削与抛光；

步骤三、设计利用超快激光在金属陶瓷材料表面欲加工的微纳减反结构；

步骤四、确定超快激光加工参数，选用激光加工功率为0.1～10W，激光频率为10～1000kHz，脉冲宽度为0.01～1000ps，波长为300～1300nm；