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利用飞秒激光对钛金属表面黑化处理的研究

更新时间:2016-07-05

随着我国对高分辨率探测、资源普查、海洋监测等方面需求的增加,对空间相机的精度提出了更高的要求。杂散光是制约空间相机精度进一步提高的关键因素之一[1]。所谓杂散光是指到达光学系统像面的非成像光线,主要来源于太阳辐射、地物反射、相机系统内部反射等,会降低光学系统的信噪比和对比度,影响空间相机的成像精度,因此必须消除空间相机内部的杂散光[2]。在相机结构内壁表面进行黑化处理是消除杂散光常用的方法,主要有阳极化发黑、电镀涂层、涂覆黑漆等表面工艺手段[3]

激光技术在表面工艺处理中有着广泛的应用[4],近年来随着科技的进步,飞秒激光技术也已经从实验阶段走向了工程应用。飞秒激光的脉冲宽度窄、峰值功率高、加工精度高,在一定的激光参数下可诱导材料表面形成自发性、周期性、永久化的微结构[5-6]。这些经过飞秒激光辐照后诱导形成的微结构多由微米甚至纳米量级的圆孔、沟槽、尖峰、波纹等结构组成,可对一定谱段内的电磁波形成“陷光效应”,从而在特定范围的谱段内实现较高的吸收率和较低的反射率[7-10]。经过辐照后的材料表面由于吸收率较高,外表面通常呈现黑色或褐色等较深的颜色,因此为金属表面的黑化处理提供了一种新思路。有报道显示,经过飞秒激光诱导后,金属表面在一些特定波段内的吸收率达98%以上,形成所谓的“黑金”材料[11-13]

钛具有密度小、强度大、耐腐蚀等优点,在各类空间相机中有着广泛的应用。然而钛表面的反射率高,容易形成杂散光,为了提高成像系统的精度,必须对钛表面进行黑化处理,常规的做法一般是化学腐蚀、阳极氧化、真空镀膜、涂黑漆等方式。本文提供了一种利用飞秒激光技术进行钛金属表面黑化处理的方式,通过利用飞秒激光扫描钛金属表面,在钛金属表面诱导形成亚微米量级的孔洞结构,可以在紫外及可见光范围内大大降低钛金属的反射率,从而消除空间相机系统的杂散光。

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1 试验

本试验中的飞秒激光器采用掺钛蓝宝石飞秒激光放大系统,其产生的激光中心波长为 800 nm,激光的脉冲宽度为 120 fs,激光的重复频率为 1~200 kHz,激光器的输出功率可调,可输出的最大功率为15 W。

图2为2号样品的试验照片和SEM图,对应的激光参数为:功率4 W,扫描速度400 mm/s,重复频率50 kHz。图2a是扫描后的样品表面,可以看出样品呈灰白色。图2b是该样品在扫描电镜中放大4000倍后观测的表面形貌,可以看出其表面形成了周期性的波纹结构,一般认为波纹结构对光的吸收作用较小,因此样品表面呈灰白色。

图 4是利用扫描电镜观测的 3号样品的表面形貌。从图4a可以看出,样品表面出现了密布排列的孔洞和柱状凸起结构。分析认为,当高能量的激光束流辐照到样品表面时,钛表面物质瞬间达到烧蚀阈值而喷出,冷却后最终形成了孔洞和凸起的复合结构。由图4b可知,样品表面的孔洞结构大小不一,大孔洞直径约为8~10 μm,深度约为5 μm,小孔洞直径约为2~5 μm,深度约为1 μm,在孔洞周围一般分布着直径约为2 μm的柱状凸起。这些复杂的微观结构构成了无数个微米量级的“陷阱”,可以将入射到样品表面的光经多次反射和折射后而消耗掉,从而增大了金属表面的吸收率,因此样品表面颜色呈现深黑色。

2 结果及分析

2.1 样品表面形貌和微观结构

对钛金属表面进行黑化处理的目的是获得高吸收率,由于金属不透光,其表面吸收率A和反射率R的关系为A=1-R,因此可以通过测试样品表面的反射率来表征样品的吸收率。为了测试以上制备的三个样品的黑化效果,采用 Lmada900型紫外-可见-红外分光光度计测试了样品在250~800 nm波长范围的反射率光谱,如图5所示。

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图1 1号样品试验照片和SEM图 Fig.1 Experimental photographs (a) and SEM images of sample 1(b)

试验中采用的样片为钛基片,尺寸为50 mm×50 mm,厚度为1 mm。试验前用分析纯的丙酮和乙醇以1:1的体积比配制清洗溶剂,将试验样片置于清洗剂中,然后放入超声波清洗机中清洗2次,每次15 min,以便彻底去除样品表面的污染物。将样品置于固定平台,利用激光器对样品表面进行XY方向的扫描,通过调解功率、扫描速度、重复频率等激光参数对样品的表面进行黑化处理,试验在室温环境下进行。

图2 2号样品试验照片和SEM图 Fig.2 Experimental photographs (a) and SEM images of sample 2 (b)

通过上述试验可知,样品表面的颜色和微观结构是多种激光参数综合作用的结果。激光功率越大、重复频率越高,那么最终获得的样品的颜色也越深。扫描速度太快,样品会发白;速度太慢,样品会呈现蓝色。因此为了实现优良的黑化处理效果,必须在试验过程中对激光功率、重复频率和扫描速度这三个参数的选择进行综合优化设计。

由图5可知,未经黑化处理的钛基底的反射率较高,在250~800 nm的测试范围内,样品的平均反射率为42.71%。1号样品的反射率曲线在250~550 nm的紫外及部分可见光区是一条比较平滑的直线,550 nm以后,样品的反射率急剧上升,根据光谱图可知,这附近是蓝光的峰值反射区,这也解释了1样品表面部分区域有发蓝的现象。2号样品的反射率曲线相对于1号样品呈现整体上升的趋势,无论是在紫外区域还是可见光区,该样品的反射率都远远大于1号样品的反射率,这说明2号样品的黑化效果很差。从3号样品的反射率曲线可以看出,曲线整体上比较平滑,在250~800 nm的测试范围内,样品的平均反射率为2.66%,可以将该段内的绝大部分光线吸收掉,因此3号样品外观呈现深黑色。对比各反射率曲线可以看出,3号样品的黑化效果最好。

图3 3号样品试验照片 Fig.3 Experimental photographs of sample 3

试验后,利用日本电子公司JSM-6510型扫描电镜表征所制备样品的表面微结构,采用PE公司生产的 Lmada900型紫外-可见-红外分光光度计测试样品的反射率。

图4 3号样品的SEM图 Fig.4 SEM images of sample 3

2.2 样品表面的反射率

试验发现,不同激光参数下获得的样品表面的颜色及微观结构都有很大区别。图1为1号样品的试验照片和SEM图,其对应的激光参数为:功率2 W,扫描速度50 mm/s,重复频率150 kHz。如图1a中的深色区域所示,1号样品的颜色总体呈黑色,部分区域略微泛蓝。图1b是利用SEM观测样品放大到2000倍后的表面形貌,可以看出样品表面经过激光扫描后形成了大小不一的颗粒状凸起,小颗粒的尺寸为2~5 μm,大颗粒的尺寸为8~10 μm。

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图5 样品的反射率光谱图 Fig.5 Reflectance spectrum of samples

通过多次试验后,最终确定了最佳的激光工艺参数为:功率6 W,扫描速度100 mm/s,重复频率200 kHz。在此工艺参数下制备的3号样品如图3所示,可以看出样品的颜色呈深黑色,黑色区域面积为50 mm×50 mm,说明样品表面获得了比较理想的黑化效果。

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3 结论

1)通过调解激光功率、扫描速度和重复频率这三个工艺参数,可以在金属钛表面获得不同形貌的微结构,不同工艺参数下获得的样品的反射率不同,但都可以降低钛表面的反射率。

第二,人自身的生产是实现“现实的人”历史发展性的生命伦理机制。人自身的生产是人的性需要的必然结果,只是人类由于性需要所产生的“繁殖”根本区别于动物的繁殖。其一,人自身的生产构成了人的历史发展性的基本生命前提。如果没有这种“种的繁衍”,“现实的人”本身就将消失,何谈其历史发展性?其二,人自身的再生产中包含专属于人的伦理特性。人在自身的再生产中,产生了父母子女等社会角色,形成了家庭这一以伦理关系为纽带的社会关系形态,这种社会关系形态使人类逐步摆脱原始的蒙昧混沌状态,构成社会交往的现实雏形,为“现实的人”实现历史交往的纵深发展准备了条件。

2)当激光功率为6 W、扫描速度为100 mm/s、重复频率为200 kHz时,所制备的样品黑化效果最好,在250~800 nm波段范围内的平均反射率为2.66%。

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李坤,曹生珠,张晓宇,熊玉卿,张凯锋,王虎,周晖
《表面技术》 2018年第5期
《表面技术》2018年第5期文献

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