1、引言

    激光技術(shù)在軍事上的主要應(yīng)用之一是以激光束作為能量載體的各種激光武器。它是利用高亮度強(qiáng)激光束攜帶的巨大能量來摧毀或殺傷敵方飛機(jī)、導(dǎo)彈和衛(wèi)星等目標(biāo)的高技術(shù)新概念武器。

    與其它傳統(tǒng)武器相比，具有無需提前量、打擊精度高、攔截距離遠(yuǎn)、作戰(zhàn)靈活和連續(xù)戰(zhàn)斗力強(qiáng)等優(yōu)勢。也正是由于高能激光的這些特點(diǎn)，已經(jīng)引起了歐美一些軍事強(qiáng)國的極大重視，并對激光武器的研究取得了一定的進(jìn)展。

    高能激光束使輻照目標(biāo)發(fā)生復(fù)雜的損傷破壞效應(yīng)，即瞬間造成目標(biāo)毀傷破壞。其毀傷機(jī)理主要體現(xiàn)在：熱效應(yīng)破壞，當(dāng)材料與高能激光束長時(shí)間相互作用時(shí)，由于對激光能量大量吸收就會(huì)導(dǎo)致材料自身發(fā)生汽化，當(dāng)激光強(qiáng)度超過材料本征的汽化閾值時(shí)，會(huì)發(fā)生激光熱燒蝕現(xiàn)象。與此同時(shí)，材料的汽化會(huì)使部分呈凝聚態(tài)的顆?；蛞旱我黄鸨粵_刷出去，從而對材料造成剝落、擊穿等毀傷。

    此外，高能激光的破壞形式因材料體系的不同會(huì)有很大的差異。對于金屬材料，當(dāng)高能激光束作用于其表面時(shí)，材料將立刻被加熱，隨后熔融、氣化，發(fā)生毀傷破壞。對于高分子材料，在高能激光輻照區(qū)域，聚合物迅速溫升、熔化、發(fā)生分子解離，即產(chǎn)生熱燒蝕或熱沖擊毀傷效應(yīng)，并且在輻照結(jié)束燒蝕損傷會(huì)繼續(xù)加劇。對復(fù)合材料，在高能激光作用下，其外表面發(fā)生燒蝕熱解，同時(shí)出現(xiàn)剝離破壞現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能顯著降低。

    高能激光武器的發(fā)展已經(jīng)對現(xiàn)役武器裝備產(chǎn)生了極大的威脅，高能激光的安全與防護(hù)形勢愈發(fā)緊迫，如何實(shí)現(xiàn)有效的激光防護(hù)已經(jīng)引起各軍事強(qiáng)國的極大重視，也是對從事高能激光防護(hù)科研人員的新的挑戰(zhàn)。

    2、高能激光防護(hù)材料的研究現(xiàn)狀

    高能激光防護(hù)目前采用的主要方式有以下幾種：高反射型防護(hù)，主要是利用防護(hù)材料對特定波長的高能激光束具有良好的反射和散射性能，能夠使入射激光的大部分能量被反射或散射出去，從而降低激光能量在材料上的沉積，達(dá)到保護(hù)基體的目的。熱燒蝕型防護(hù)，主要利用材料與高能激光相互作用時(shí)發(fā)生的熱燒蝕效應(yīng)，因其高的燒蝕熱焓值能夠消耗大量的激光能量，進(jìn)而達(dá)到保護(hù)基體的目的。復(fù)合型防護(hù)，即防護(hù)體系由反射層與燒蝕層或隔熱層雙層結(jié)構(gòu)組成，綜合利用高反射與熱燒蝕 / 熱障原理來實(shí)現(xiàn)防護(hù)效果。

    目前，國外許多學(xué)者已經(jīng)對高能激光防護(hù)展開了一些研究，并取得了較大的進(jìn)展。Ｒ obertW. Milling 等人在專利中使用金屬材料鋁在飛機(jī)蒙皮下方做反射層，保護(hù)其免受激光破壞；Slemp等人研制的多層式涂層，在透明的防輻射薄膜上覆蓋對輻射穩(wěn)定的涂層，同時(shí)在防輻射薄膜底部沉積有反射率非常高的金屬層。美國通用公司開發(fā)了由石墨作為主要成分的抗激光防護(hù)材料，該材料由多層石墨薄層組成，每層石墨都可夠有效地反射入射激光的能量，從而實(shí)現(xiàn)有效的激光防護(hù)。美國海軍將含有鋁顏料的有機(jī)硅高溫涂料用于激光防護(hù)，因其具有優(yōu)異的反射性能，該材料可在 650℃ 高溫條件下起到抗激光防護(hù)作用。國內(nèi)在抗高能激光防護(hù)方面的研究報(bào)道較少，主要是集中在熱燒蝕型防護(hù)研究方面。李靜等人以有機(jī)硅樹脂、聚碳硅烷和玻璃粉為粘結(jié)劑，添加無機(jī)耐熱填料制備的激光燒蝕涂層，具有良好的抗激光燒蝕及隔熱性能。彭國良等人通過研發(fā)復(fù)合材料激光輻照效應(yīng)的模擬程序，計(jì)算了激光強(qiáng)度及其穩(wěn)定性對 C/SiC 陶瓷基復(fù)合材料燒蝕效率的影響。于慶春等人采用刷涂的方法制備了一種新型的片狀石墨增強(qiáng)鋇酚醛樹脂基復(fù)合材料，在激光輻照過程中呈近平行的層狀分布的片狀石墨對入射激光起到平面反射作用，能夠有效地降低激光輻照的能量沉積，具有良好的激光燒蝕性能。

    3、基于等離子噴涂技術(shù)的反射型高能激光防護(hù)材料研究

    現(xiàn)今對高能激光的反射型防護(hù)，主要利用各種鍍膜技術(shù)在材料表面形成具有抗激光輻照的薄膜，這些鍍膜工藝存在效率低、受工件體積與形狀限制很大和成本較高等缺點(diǎn)。相比較而言，等離子噴涂技術(shù)所制備的反射型高能激光防護(hù)涂層則具有良好的應(yīng)用前景。北京理工大學(xué)在國內(nèi)率先開展了等離子噴涂高能激光防護(hù)涂層材料的研究，并取得了可喜的進(jìn)展。對于金屬材料，通過等離子噴涂工藝能夠?qū)崿F(xiàn)金屬涂層具有接近其塊體的高反射性。對于陶瓷材料，自主設(shè)計(jì)研發(fā)了新型高反射陶瓷材料，并通過等離子噴涂工藝能夠?qū)崿F(xiàn)與金屬相當(dāng)?shù)母叻瓷湫浴?/span>

    等離子噴涂屬于熱噴涂技術(shù)的一種，它是利用直流電弧電離工作氣體產(chǎn)生的等離子焰流，將由載氣送入的待噴涂粉末（金屬或陶瓷）加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并使之高速撞擊噴射到預(yù)先處理好的工作表面，并沉積在零件表面獲得結(jié)合良好的層狀致密涂層。等離子噴涂主要優(yōu)點(diǎn)如下：等離子焰流溫度高，熱量相對集中，能夠熔化絕大多數(shù)高熔點(diǎn)和高硬度的粉末材料。因?yàn)榈入x子噴涂時(shí)的焰流噴射速度高，噴涂顆粒能夠獲得較大的動(dòng)能，所制備的涂層具有較高的致密度。

    噴涂后涂層表面粗糙度低，并且可較精確的控制涂層厚度。另外，惰性氣體（He、Ar、N 2 等或其混合氣體）作為等離子噴涂的工作氣體，能有效的保護(hù)工件表面和噴涂粉末顆粒在噴涂時(shí)的高溫環(huán)境中不受氧化，從而獲得相結(jié)構(gòu)單一的涂層。

    3.1 等離子噴涂金屬涂層反射材料

    金屬本征材料在近紅外波段具有很高的理論反射率（如圖 1 所示）可作為高能激光防護(hù)涂層的首選材料。但是以等離子噴涂涂層的形式在高能激光防護(hù)中應(yīng)用時(shí)，不可避免的存在各種缺陷，如孔隙、界面和裂紋等，這些缺陷均可能成為激光的吸收體，將對涂層的激光反射性能產(chǎn)生很大的影響，因此涂層的成分、宏微觀結(jié)構(gòu)等調(diào)控技術(shù)對制備高反射金屬涂層至關(guān)重要。

    北京理工大學(xué)針對等離子噴涂金屬涂層開展了系列研究，以金屬 Al 為例。通過等離子噴涂工藝可以控制 Al 涂層的成分組織結(jié)構(gòu)，得到高激光反射率的Al 涂層，達(dá)到其本征反射率水平。由表1 可知，制備的孔隙率為 1.73% 的 Al涂層在表面粗糙度為Ｒ a0.56 時(shí)對 CO 2激光的本征反射率為 98.1%，接近塊體材料激光反射率理論值 99%。這主要是由于優(yōu)化后的等離子噴涂工藝能夠?qū)?Al涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了涂層的高反射率。

    圖 2 為典型金屬涂層單個(gè)顆粒變形形貌。由于熔融金屬的流動(dòng)性好，熔滴整體向外自由的鋪展，形成扁平盤狀層片結(jié)構(gòu)。典型的金屬涂層由這種扁平狀層片結(jié)構(gòu)單元堆積形成，其截面金相如圖 2（ b）所示，大部分區(qū)域金屬變形顆粒搭接狀態(tài)良好，結(jié)構(gòu)致密。從明顯的顆粒界面搭接處可以看到，涂層中顆粒變形形成的盤狀層片結(jié)構(gòu)單元的厚度大部分在 2 ～ 5μm 的范圍內(nèi)，并以厚度為 4μm 左右的層片狀組織為主。由于單一變形顆粒內(nèi)部與連續(xù)塊體材料相似，金屬涂層對激光的吸收深度可以參考金屬的趨膚深度（對于 Al 約為 7.9nm），遠(yuǎn)小于涂層厚度。當(dāng) Al 涂層表面粗糙度小于Ｒ a0.56 時(shí)，激光與 Al 涂層的相互作用可以等效為與 Al 涂層中單個(gè)變形顆粒的相互作用，Al 涂層能夠達(dá)到相當(dāng)于連續(xù)塊體材料的激光反射率。

    圖 3 給出了金屬涂層反射率與激光功率密度關(guān)系的示意圖。金屬涂層反射率隨激光功率密度的關(guān)系主要分為兩個(gè)區(qū)域。在Ⅰ區(qū)范圍以內(nèi)的激光輻照下，金屬涂層吸收的激光能量所引起的溫升對涂層的性能影響不明顯，涂層仍表現(xiàn)為本征反射性能。在 Al 涂層反射率與激光功率密度關(guān)系圖中，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的分界線約在 2.5×104W/cm 2 ，在此Ⅰ區(qū)范圍內(nèi) Al 涂層的反射率基本平穩(wěn)。由于激光器產(chǎn)生光束的能量和光斑大小是隨著激光能量的增加而趨于穩(wěn)定。激光器在低能量輸出時(shí)，激光能量偏小而光斑直徑偏大，導(dǎo)致試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)低于實(shí)際值。隨著發(fā)射激光能量的增加，激光能量和光斑直徑趨于穩(wěn)定在設(shè)定值，試驗(yàn)測試的反射率數(shù)值也趨于實(shí)際值。當(dāng)激光能量增加到一定值時(shí)，Al 金屬涂層的反射率出現(xiàn)拐點(diǎn)。

    在Ⅱ區(qū)范圍內(nèi)，金屬涂層的反射率隨著激光功率密度的增加而呈下降趨勢。Al 涂層激光反射率下降的主要原因是 Al 涂層表面在激光輻照過程出現(xiàn)了氧化。Al 涂層激光輻照損傷區(qū)表面形成氧化層的反射率遠(yuǎn)小于金屬 Al 的反射率導(dǎo)致了 Al 涂層激光反射率的突降。另外，當(dāng)輻照的激光功率密度足夠大時(shí)，Al 涂層吸收的激光能量會(huì)使涂層表面溫度增加。金屬理論研究表明，對于絕大多數(shù)金屬，當(dāng)溫度升高時(shí)會(huì)改變材料的能帶結(jié)構(gòu)，電子 - 電子以及電子 -聲子之間的散射作用增加使得電導(dǎo)率下降，同時(shí)涂層的激光反射率也隨之下降。

    金屬涂層在未達(dá)到其激光輻照損傷閾值時(shí)仍表現(xiàn)出本征的高反射率特性。圖 4 為 Al 涂層分別在功率密度為 1×104W/cm 2 、3×104W/cm 2 和7×105W/cm 2 的激光輻照 4s 后的表面宏觀形貌。

    當(dāng)激光功率密度為 1×104W/cm 2時(shí)，輻照后的涂層因其高反射性能而沒有出現(xiàn)損傷效應(yīng)，涂層性能穩(wěn)定。當(dāng)激光功率密度達(dá)到 3×104W/cm 2 時(shí)，輻照后的 Al 涂層僅在光斑中心區(qū)域出現(xiàn)局部損傷，其微觀放大照片見圖 5，損傷區(qū)域的能譜分析表明，其氧元素原子百分比為 17%，說明涂層在激光輻照后開始出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，該激光功率密度基本對應(yīng) Al 涂層的光學(xué)損傷閾值，也就是在 Al 涂層反射率與激光功率密度關(guān)系圖上Ⅰ區(qū)到Ⅱ區(qū)的拐點(diǎn)位置，此時(shí)涂層的高反射性能并未出現(xiàn)明顯下降。隨著輻照在 Al 涂層表面上的激光功率密度越來越大，輻照后涂層表面損傷區(qū)的損傷加劇。當(dāng)輻照在 Al 涂層表面的激光功率密度達(dá)到 7×105W/cm 2 時(shí)，損傷區(qū)的氧元素的原子百分比均在 45%以上，部分區(qū)域的鋁元素和氧元素的原子比達(dá)到 4 ∶ 6，說明 Al 涂層在該激光功率密度輻照后明顯氧化，生成完整的Al 2 O 3 層，進(jìn)一步證明了金屬涂層表面氧化現(xiàn)象是導(dǎo)致該涂層激光反射率下降的本質(zhì)因素，即控制金屬涂層在激光輻照過程中的氧化是提高金屬涂層光學(xué)損傷閾值的途徑之一。

    3.2 等離子噴涂陶瓷涂層材料

    金屬材料雖然對激光具有較高的反射能力，但因其熔點(diǎn)相對較低，高溫時(shí)易發(fā)生氧化等缺點(diǎn)限制了金屬材料在高能激光防護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

    陶瓷材料具有較高的熔點(diǎn)和優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，有望成為在高能激光防護(hù)應(yīng)用的備選材料。目前，北京理工大學(xué)研究了等離子噴涂制備 Al 2 O 3 、ZrO 2 、TiO 2 等傳統(tǒng)氧化物材料的相結(jié)構(gòu)對連續(xù)激光反射率的影響，并針對更高能激光的防護(hù)需求，開展了新型高反射陶瓷材料研究。

    以 Al 2 O 3 為 例，α-Al 2 O 3 塊 體 對CO 2 連續(xù)激光的反射率僅為 6.55%±0.20%，而北京理工大學(xué)制備的等離子噴涂 Al 2 O 3 涂層對 CO 2 連續(xù)激光的反射率為 23.65%±0.80%。通過對 Al 2 O 3 涂層的物相分析，發(fā)現(xiàn)等離子噴涂制備的Al 2 O 3 涂層具有兩相結(jié)構(gòu)：γ 相和 α 相，前者為主相。這表明具有不同晶體結(jié)構(gòu)的Al 2 O 3 呈現(xiàn)出對激光的不同反射能力，即不同的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致 γ-Al 2 O 3 的激光反射性能優(yōu)于 α-Al 2 O 3 。從二者的態(tài)密度分布圖（見圖 6）可以看出，α-Al 2 O 3因存在 6eV 的禁帶，使價(jià)電子的連續(xù)躍遷受到阻礙，而 γ-Al 2 O 3 則存在電子軌道交疊，即為電子帶間躍遷提供了條件，有利于產(chǎn)生電子連續(xù)躍遷，從而提高產(chǎn)生光子的幾率，使 γ-Al 2 O 3 對激光的反射率得到提高。

    在激光輻照過程中，γ-Al 2 O 3 涂層的反射率會(huì)隨激光功率密度的增加而發(fā)生改變。在 600W/cm 2 功率密度輻照時(shí)，涂層仍保持著其本征反射率，但當(dāng)激光功率密度增加到 2000W/cm 2 時(shí)，反射率卻下降到 α-Al 2 O 3 的反射率水平，隨著激光功率密度繼續(xù)增加到 9000W/cm 2 ，其反射率水平未發(fā)生明顯變化。

    對在功率密度為 2000W/cm 2 連續(xù)激光輻照后的涂層試樣進(jìn)行物相分析，發(fā)現(xiàn)在其激光輻照損傷區(qū)的主相已轉(zhuǎn)變?yōu)?alpha;-Al 2 O 3 。從該涂層表面損傷區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)組織（見圖 7）可以看到排列整齊且呈三維方向生長的 α-Al 2 O 3 懸臂晶。這說明在高能激光的作用下，Al 2 O 3涂層中的亞穩(wěn)相 γ-Al 2 O 3 會(huì)向穩(wěn)定相α-Al 2 O 3 轉(zhuǎn)變，這將導(dǎo)致涂層反射率下降。同時(shí)反射率的下將引起涂層對激光能量吸收的增加。因此，通過提高 Al 2 O 3激光防護(hù)效果。

    由于傳統(tǒng)陶瓷材料的反射率普遍較低，面向未來更高功率更長時(shí)間的激光防護(hù)，現(xiàn)有的材料已不能滿足需求，北京理工大學(xué)從“材料基因組”思想出發(fā)，探索新型高反射率陶瓷涂層原材料的研發(fā)。采用第一性原理和分子動(dòng)力學(xué)方法，建立了能帶結(jié)構(gòu)—介電函數(shù)—反射率之間的關(guān)系，提出采用高對稱性陶瓷材料并適當(dāng)摻雜，可使導(dǎo)帶移動(dòng)到最低能量，使得費(fèi)米面處有最多的活潑的電子，有利于帶間躍遷，從而反射率增大，基于此設(shè)計(jì)出 La 1-x Sr x TiO 3+δ 高反射率陶瓷材料（見圖 8），在近紅外波段具有和金屬相當(dāng)?shù)母叻瓷渎?。采用高溫固相反?yīng)法制備了的 La 1-x Sr x TiO 3+δ 塊體樣品，具有層狀鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)，晶粒呈層片狀，其在近紅外到中紅外區(qū)域反射率超過了典型金屬材料的反射率，為其作為新一代的激光反射涂層材料奠定基礎(chǔ)。

    通過對噴涂工藝的優(yōu)化，采用等離子噴涂工藝制備的 La 1-x Sr x TiO 3+δ 涂層（見圖 9），其孔隙率低至 3.5%，涂層結(jié)合強(qiáng)度可高達(dá) 40MPa，高于常見 Al 2 O 3 陶瓷涂層的結(jié)合強(qiáng)度（約 30MPa），是傳統(tǒng)熱防護(hù)涂層 ZrO 2 的 2 ～ 3倍。這是由于采用優(yōu)化后的等離子噴涂工藝使噴涂顆粒在噴涂過程中得到充分熔融，在接下來沉積過程中得到有效鋪展，進(jìn)而使涂層內(nèi)部層狀結(jié)構(gòu)之間得到了有效的緊密結(jié)合，減少了涂層中孔隙的形成，因而具有良好力學(xué)性能。

    圖 10 為等離子噴涂的 La 1-x Sr x TiO 3+δ涂層反射率，可以看到與塊體材料本征反射率相比變化較大。這主要是因?yàn)樵诘入x子噴涂過程，具有高溫還原性的等離子焰流導(dǎo)致 La 1-x Sr x TiO 3+δ 噴涂顆粒氧元素缺失，進(jìn)而使制備的 La 1-x Sr x TiO 3+δ陶瓷涂層中存在大量對光產(chǎn)生吸收效應(yīng)的氧空位缺陷。因此，通過對該涂層采用相關(guān)后續(xù)熱處理工藝，彌補(bǔ)了噴涂過程中的不足，使其反射率得到了顯著提高，最高可達(dá) 82% 左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)氧化物陶瓷涂層的反射率。目前，正在開展 La 1-x Sr x TiO 3+δ 陶瓷涂層的激光防護(hù)方面的研究，其良好的力學(xué)性能及光學(xué)性能為作為新一代的激光反射層材料奠定了基礎(chǔ)。

    4、結(jié)束語

    本文介紹了激光武器的發(fā)展現(xiàn)狀，闡明了高能激光束熱效應(yīng)毀傷機(jī)理，歸納總結(jié)了基于等離子噴涂的反射型激光防護(hù)涂層的研究進(jìn)展。研究表明，開展材料在高能激光輻照條件下的毀傷與防護(hù)研究，將對武器裝備的抗激光防護(hù)技術(shù)的發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用，特別是針對硬殺傷的防護(hù)，傳統(tǒng)的技術(shù)和材料已無法滿足現(xiàn)代軍事激光防護(hù)的要求，因此，加強(qiáng)激光防護(hù)新材料和新技術(shù)的研究、提高武器裝備在現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭條件下的生存能力和突防能力勢在必行。性能穩(wěn)定的全波段高損傷閾值的反射型涂層將是新一代激光防護(hù)材料的發(fā)展趨勢。