北理工材料学院马壮教授课题组：激光安全与防护领域研究中取得重要进展

【引言】

当前激光器正处于快速发展时期，随着激光的广泛使用，相关光学精密仪器及工程装备的激光安全与防护备受国内外关注。北京理工大学马壮教授、王富耻教授、高丽红副教授经过长期攻关，自主设计并制备出新型高反射钛酸盐钙钛矿陶瓷材料，反射率与金属铝相当，且熔点是金属铝的3倍，具有良好的抗激光辐射应用前景，填补了国内外高反射陶瓷材料的空白。近年来，钙钛矿型氧化物ABO₃因具有独特的晶体结构，尤其经掺杂后形成特殊的晶体缺陷结构和性能，使该化合物作为一种新型功能材料在物理、化学等领域成为研究热点，并在一些重大工程关键环节表现出一定的应用潜力。但是，如何解决新型高反射钛酸盐钙钛矿陶瓷材料在激光安全与防护领域中应用的局限性及拓展新型钙钛矿材料在激光安全与防护工程领域中的有效应用已成为当前研究所面临的新挑战。

【成果简介】

近日，北京理工大学材料学院马壮教授、高丽红副教授（通讯作者）指导的2014级博士生朱锦鹏经过关键技术攻关，在国际知名学术期刊ACS Applied materials & Interfaces在线发表了关于钙钛矿型陶瓷涂层材料在激光安全与防护方面研究的重要进展：“Ablation behavior of plasma-sprayed La_1-xSr_xTiO_3+δ coating irradiated by high-intensity continuous laser” 报道了他们有针对性地设计了一系列激光辐照实验，并在该领域引入多物理场辐照效应数值模拟方法，探究了钙钛矿型钛酸盐陶瓷涂层的宏、微观结构及光学性能等在连续型激光作用下复杂的演变机制，揭示了激光作用过程中影响钙钛矿型陶瓷涂层光学性能变化的本质原因。基于傅里叶热传导理论，建立了多物理场三维近似耦合模型，自主编程实现了对陶瓷涂层与激光相互作用过程中温度场及温度梯度计算，突破制约实时反射率变化精准推演的国内外关键技术难题。

【图文导读】

图1、激光作用对La_1-xSr_xTiO_3+δ涂层的宏观形貌影响

连续型激光作用下La_1-xSr_xTiO_3+δ涂层的(a)宏观形貌 (b)光学性能演变规律

图2、激光作用对La_1-xSr_xTiO_3+δ涂层的微观形貌影响

连续型激光作用下La_1-xSr_xTiO_3+δ涂层的微观组织结构变化(a)中心区 (b)过渡区 (c)边缘区

图3、激光对La_1-xSr_xTiO_3+δ涂层的作用机制

La_1-xSr_xTiO_3+δ涂层晶格结构中氧空位/Ti³⁺产生机制及其能带结构变化示意图。

图4、连续型激光作用下的La_1-xSr_xTiO_3+δ涂层的温度及反射率表征

连续型激光作用下的La_1-xSr_xTiO_3+δ涂层表面温度(a)温度梯度变化 (b)反射率变化。

【小结】

该研究工作揭示了钙钛矿涂层材料中氧空位缺陷浓度及Ti³⁺的含量是影响其激光防护效果的关键因素，同时优异的反射性、热扩散性能也将显著提高涂层材料的激光安全和防护性能。发现该材料反射率随温度可呈大幅变化，具有激光防护与隐身多功能一体化的应用潜力，目前正针对这一问题开展关键技术攻关。本研究工作受到了国际同行的认可，为全面提高新型钙钛矿材料的激光防护能力，探索新型防护机制提供了有价值的新思路，并对进一步加快激光安全与防护领域中新材料的研发及推动其在相关装备中的应用具有重要意义。

马壮教授课题组长期致力于激光安全与防护领域的应用基础研究和关键技术攻关，率先开展了等离子喷涂激光防护涂层材料研究，研究团队经过不断努力，对激光与涂层材料相互作用耦合机制等基础理论问题的认识不断深入，为发展轻质高效激光安全与防护材料体系和结构奠定了重要基础，同时针对工程应用中特种装备快速发展需求，相继研发了高反射涂层、热传导各向异性散热涂层、低热导高热膨胀隔热涂层、多效应协同等多种防护涂层材料体系和结构，保障了重点装备研制。

该研究工作由多家国内、国际权威高校、科研院所单位合作完成。主要合作者包括西北核技术研究所高银军博士、激光与物质相互作用国家重点实验室王立君研究员、韦成华研究员、德国慕尼黑大学和马普-量子光学研究所Vladimir Pervak教授。该论文的第一作者是2014级博士生朱锦鹏，导师马壮教授，副导师及通讯作者为高丽红副教授，其中王富耻教授对该研究提出了宝贵意见，该研究工作得到了国家自然科学基金的资助(51302013)和领域创新基金资助。

文章链接：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实验室供稿。

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