北理工材料學院馬壯教授課題組：激光安全與防護領域研究中取得重要進展

【引言】

當前激光器正處于快速發展時期，隨著激光的廣泛使用，相關光學精密儀器及工程裝備的激光安全與防護備受國內外關注。北京理工大學馬壯教授、王富恥教授、高麗紅副教授經過長期攻關，自主設計并制備出新型高反射鈦酸鹽鈣鈦礦陶瓷材料，反射率與金屬鋁相當，且熔點是金屬鋁的3倍，具有良好的抗激光輻射應用前景，填補了國內外高反射陶瓷材料的空白。近年來，鈣鈦礦型氧化物ABO₃因具有獨特的晶體結構，尤其經摻雜后形成特殊的晶體缺陷結構和性能，使該化合物作為一種新型功能材料在物理、化學等領域成為研究熱點，并在一些重大工程關鍵環節表現出一定的應用潛力。但是，如何解決新型高反射鈦酸鹽鈣鈦礦陶瓷材料在激光安全與防護領域中應用的局限性及拓展新型鈣鈦礦材料在激光安全與防護工程領域中的有效應用已成為當前研究所面臨的新挑戰。

【成果簡介】

近日，北京理工大學材料學院馬壯教授、高麗紅副教授（通訊作者）指導的2014級博士生朱錦鵬經過關鍵技術攻關，在國際知名學術期刊ACS Applied materials & Interfaces在線發表了關于鈣鈦礦型陶瓷涂層材料在激光安全與防護方面研究的重要進展：“Ablation behavior of plasma-sprayed La_1-xSr_xTiO_3+δ coating irradiated by high-intensity continuous laser” 報道了他們有針對性地設計了一系列激光輻照實驗，并在該領域引入多物理場輻照效應數值模擬方法，探究了鈣鈦礦型鈦酸鹽陶瓷涂層的宏、微觀結構及光學性能等在連續型激光作用下復雜的演變機制，揭示了激光作用過程中影響鈣鈦礦型陶瓷涂層光學性能變化的本質原因。基于傅里葉熱傳導理論，建立了多物理場三維近似耦合模型，自主編程實現了對陶瓷涂層與激光相互作用過程中溫度場及溫度梯度計算，突破制約實時反射率變化精準推演的國內外關鍵技術難題。

【圖文導讀】

圖1、激光作用對La_1-xSr_xTiO_3+δ涂層的宏觀形貌影響

連續型激光作用下La_1-xSr_xTiO_3+δ涂層的(a)宏觀形貌 (b)光學性能演變規律

圖2、激光作用對La_1-xSr_xTiO_3+δ涂層的微觀形貌影響

連續型激光作用下La_1-xSr_xTiO_3+δ涂層的微觀組織結構變化(a)中心區 (b)過渡區 (c)邊緣區

圖3、激光對La_1-xSr_xTiO_3+δ涂層的作用機制

La_1-xSr_xTiO_3+δ涂層晶格結構中氧空位/Ti³⁺產生機制及其能帶結構變化示意圖。

圖4、連續型激光作用下的La_1-xSr_xTiO_3+δ涂層的溫度及反射率表征

連續型激光作用下的La_1-xSr_xTiO_3+δ涂層表面溫度(a)溫度梯度變化 (b)反射率變化。

【小結】

該研究工作揭示了鈣鈦礦涂層材料中氧空位缺陷濃度及Ti³⁺的含量是影響其激光防護效果的關鍵因素，同時優異的反射性、熱擴散性能也將顯著提高涂層材料的激光安全和防護性能。發現該材料反射率隨溫度可呈大幅變化，具有激光防護與隱身多功能一體化的應用潛力，目前正針對這一問題開展關鍵技術攻關。本研究工作受到了國際同行的認可，為全面提高新型鈣鈦礦材料的激光防護能力，探索新型防護機制提供了有價值的新思路，并對進一步加快激光安全與防護領域中新材料的研發及推動其在相關裝備中的應用具有重要意義。

馬壯教授課題組長期致力于激光安全與防護領域的應用基礎研究和關鍵技術攻關，率先開展了等離子噴涂激光防護涂層材料研究，研究團隊經過不斷努力，對激光與涂層材料相互作用耦合機制等基礎理論問題的認識不斷深入，為發展輕質高效激光安全與防護材料體系和結構奠定了重要基礎，同時針對工程應用中特種裝備快速發展需求，相繼研發了高反射涂層、熱傳導各向異性散熱涂層、低熱導高熱膨脹隔熱涂層、多效應協同等多種防護涂層材料體系和結構，保障了重點裝備研制。

該研究工作由多家國內、國際權威高校、科研院所單位合作完成。主要合作者包括西北核技術研究所高銀軍博士、激光與物質相互作用國家重點實驗室王立君研究員、韋成華研究員、德國慕尼黑大學和馬普-量子光學研究所Vladimir Pervak教授。該論文的第一作者是2014級博士生朱錦鵬，導師馬壯教授，副導師及通訊作者為高麗紅副教授，其中王富恥教授對該研究提出了寶貴意見，該研究工作得到了國家自然科學基金的資助(51302013)和領域創新基金資助。

文章鏈接：Ablation behavior of plasma-sprayed La_1-xSr_xTiO_3+δ coating irradiated by high-intensity continuous laser（ACS Appl. Mat. Interfaces，2017，DOI:10.1021/acsami.7b11034）。

本文由北理工表面工程實驗室供稿。

投稿以及內容合作可加編輯微信：RDD-2011-CHERISH，任丹丹，我們會邀請各位老師加入專家群。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

儀器設備、試劑耗材、材料測試、數據分析，找材料人、上測試谷！