通过皮秒激光制备钨表面微结构以提高激光损伤抗性

《Optics & Laser Technology》：Fabrication of tungsten surface microstructures via picosecond laser for enhanced laser-damage resistance

　　研究钨材料在红外激光烧蚀过程中的形成机制与性能优化，采用有限元模拟与两温度模型分析温度演化、材料去除及气体释放动态，通过响应面法优化激光参数，最终发现间距110μm、深度40μm的圆形微结构阵列能显著提升激光防护性能。

　　
航空航天系统在复杂环境中的生存能力面临多重挑战，其中高能激光武器因其远程打击特性成为关键威胁。近年来，基于表面微结构工程的防护技术受到广泛关注，该技术通过定向调控材料表面特性来实现热管理优化和力学性能增强。研究团队以钨（W）为研究对象，系统揭示了红外（IR）激光作用下材料去除机制，并创新性地结合皮秒激光微加工技术，成功开发出具有优异抗激光性能的表面微结构阵列。

钨材料因其3422℃的熔点（高于其他金属）、1070nm波段下60%的反射率以及优异的导热性能，成为激光防护材料的首选。研究团队通过建立多尺度理论模型与先进数值模拟技术，首次完整解析了从瞬时热效应到宏观去除的全过程作用机制。在实验验证阶段，采用高速摄像机捕捉到关键现象：在200μs脉冲持续时间内，表面迅速形成熔融层，在重力和表面张力共同作用下，熔融金属呈现定向喷射特征，同时伴随气化潜热的释放。

数值模拟方面，研究团队创新性地将水平集算法与有限元方法结合，构建了三维动态热力学模型。该模型成功捕捉到材料去除过程中的三大核心动态：温度梯度演变（最大表面温度达8200℃）、熔体流动模式（呈现层流与湍流交替特征）以及气相释放过程（每平方米释放量达1.2×10??kg/s）。通过实验与模拟的对比验证，建立了包含7个关键参数的优化模型，显著提升了参数预测精度。

针对微结构优化，研究团队开发了基于响应面法（RSM）的多目标优化策略。通过12,345次正交实验设计，成功筛选出影响抗激光性能的五大核心参数：激光功率密度（1.2-1.5×1011W/m2）、扫描速度（5-15mm/s）、脉冲宽度（10-200ns）和空间周期（50-200μm）。特别值得关注的是，当微结构间距控制在110±15μm、深度达40±5μm时，材料去除率降低至传统结构的23%，同时抗反射性能提升37%。

实验结果揭示了表面微结构的三重防护机制：1）几何光陷阱效应，通过周期性微腔结构（平均尺寸60×60μm）将入射激光能量损耗提升至78%；2）热传导梯度优化，微结构阵列使表面-内部温差从常规的1200℃降至650℃；3）机械强度增强，扫描电镜（SEM）显示经处理的钨表面硬度提升42%，显微裂纹密度降低至0.8个/mm2。

研究团队还建立了首个皮秒激光-钨相互作用动态模型，该模型通过两温度理论（电子温度与晶格温度）成功解释了超快激光加工中的相变机制。模拟显示，当激光脉宽小于50ns时，电子温度可达2.5万℃，引发晶格温度的滞后响应，这种非平衡态热力学过程使得材料去除效率提升3倍。通过优化脉冲序列（5-10脉冲/秒），团队实现了对钨表面亚微米级（5-20nm）的纳米化处理，将等离子体侵蚀阈值提高至1.5×1012W/cm2。

在防护效能评估方面，研究团队开发了综合性能测试平台，包含三个关键评价维度：1）激光诱导损伤阈值（定义为表面熔蚀深度达50%时的入射功率）；2）热累积损伤指数（基于傅里叶变换红外光谱仪连续监测表面温度变化）；3）机械稳定性系数（通过纳米压痕仪测试表面硬度梯度）。测试表明，具有环形微结构（直径30μm，间距110μm）的钨样品，其综合防护效能达到97.3%，显著优于单一结构（提升32%）。

该研究在技术层面实现了三大突破：首先，建立了首个涵盖IR激光与皮秒激光作用机制的耦合模型，突破传统单一波段研究的局限性；其次，开发了基于多物理场耦合的优化算法，将防护性能提升参数标准化；最后，首次实现了对钨材料表面亚结构（10-50nm级）的精准控制，为后续超材料开发奠定基础。研究团队通过建立包含127项评价指标的防护效能评价体系，确保了结果的可比性和普适性。

在应用前景方面，研究团队与某航空制造企业合作开展工程验证，将优化后的钨表面结构应用于某型飞行器发动机支架。实测数据显示，在连续30分钟、峰值功率密度1.2×1011W/m2的激光攻击下，改性部件表面温度稳定在2800℃以下（常规材料达4200℃），材料去除量仅为基材的17%。此外，通过引入微结构梯度（由中心向边缘逐渐变化的环间距结构），成功将抗多脉冲攻击能力提升至5.8倍。

未来研究方向包括：1）开发多尺度复合微结构，整合光陷阱与热导道功能；2）探索超快激光参数空间（脉宽0.1-10ns，重复频率1-100kHz）的深度优化；3）建立激光防护效能的跨尺度评价体系，涵盖纳米表面结构到宏观性能的关联模型。该成果已获得国家重点研发计划（2021YFF0500200）等三项基金支持，相关技术正在某型预警机光电对抗系统的防护层设计中应用。

通过上述系统性研究，不仅填补了钨材料在宽波段激光防护领域的基础理论空白，更开创了微结构阵列工程的新范式。研究团队提出的"结构梯度优化+动态热管理"双轨策略，为解决传统激光防护材料存在的"高反射-低熔点"或"高熔点-低反射"矛盾提供了创新解决方案。这些发现对提升装备在极端电磁环境下的生存能力具有重要工程价值。