[发明专利]一种材料表面激光黑化或着色方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光材料处理方法，具体涉及一种对材料表面进行激光黑化或着色的方法，尤其是一种对非金属材料进行表面处理的方法。

背景技术

随着高功率超快激光在金属等材料表面加工处理和材料的微纳米结构形成机理研究的进展，一种基于超短激光脉冲加工直接在材料特别是金属材料表面形成微纳米结构，从而在材料表面产生黑化及着色的技术在国际上得到极大的发展[A.Y.Vorobyev and Chunlei Guo，Colorizing metals with femtosecond laser pulses，APPLIED PHYSICS LETTERS 92,041914 ,2008 ; Min Huang, Fuli Zhao, Ya Cheng, Ningsheng Xu, Zhizhan Xu，Large area uniform nanostructures fabricated by direct femtosecond laser ablation，10 November 2008，Vol. 16,No. 23，OPTICS EXPRESS  ，19354 ; A.Y. Vorobyev, Chunlei Guo, Direct creation of black silicon using femtosecond laser pulses ,Applied Surface Science 257 (2011) 7291–7294]。这些金属等材料表面微纳结构的出现直接导致金属等材料表面光学特性的极大改变。高功率飞秒激光脉冲与金属表面相互作用，金属表面形成与入射激光波长相同数量极（或小于入射激光波长）周期性的纹波（Ripple）结构，也称为微纳米结构覆盖的激光导致的周期性表面结构（NDCLDPS），在这些周期性纹波(或周期性微纳米结构)中存在着大量均匀分布的纳米尺寸的纳米腔体（nano cavities），带有球型触头的纳米突出(nano protuberance with spherical tip) 等纳米结构和微米尺寸的微结构，当电磁波照射在这些被超快激光处理过形成周期性微纳米结构的金属等材料表面时，这些金属微纳米腔体等结构对入射电磁波形成强烈的囚禁吸收，从而使得这些金属表面从对电磁波强反射体变成对电磁波的强吸收体，其对电磁波的吸收率从百分之十几急剧增加到从百分之九十几以上，已有的实验研究报道电磁波的频率范围从紫外250多纳米到可见光到红外25000纳米，直到太赫兹（300微米），这使得被飞秒超快激光处理过后整个金属等材料表面成为对电磁波的强吸收体（黑体），这种材料也被称为“超黑”材料（Super-black material ）,这种金属表面处理技术也被称为“金属黑化技术”；研究还发现当改变入射超快激光的偏振方向、入射角度等参数后，激光处理后的金属等材料表面对特定波长的光（如蓝光，绿光，黄光等）反射率增强，从而金属等材料表面呈现出各种色彩（如蓝，绿，黄光等），这种技术也被称为“金属着色技术”。

这种采用超快激光处理的金属等材料表面形成微纳米结构的黑化或彩色化技术相比传统采用油漆（如黑色油漆）对金属等材料表面着色技术具有下述优点：

1、整个形成微纳米结构的金属等材料表面的具有优越的散热性能，金属等材料内部生成的热量可以以极高的效率向外界散发传递；而采用油漆等技术由于存在粘合剂，将大大降低金属等表面的散热性能；

2、整个形成微纳米结构的金属等材料表面的寿命相比油漆等技术大大延长。金属等材料表面微纳米结构是金属等材料整体结构的一部分，这些微纳米金属等材料结构稳定，而油漆等则随时间存在着剥离退化的缺点；而且油漆等在极低温下性能发生变化，色彩发生极大转变（如黑色变成有一些光泽的银灰色）。

3、整个形成微纳米结构的金属等材料表面相比油漆等对光的反射率更低；

4、整个形成微纳米结构的金属等材料表面对水有更大的排斥性；

5、相比现有采用碳纳米管技术表面覆盖的金属等材料表面黑化技术[NASA Develops Super-Black Material That Absorbs Light Across Multiple Wavelength Bands. Last modified 11-08-2011. Accessed July 3, 2012. http://www.nasa.gov/topics/technology/features/ super-black-material.html]，这种形成微纳米结构金属等材料表面的材料黑化或彩色化技术具有性能更为稳定，技术更为简单。