利用激光的直接照射而殺傷目標的武器被稱為激光武器。激光武器具有傳播速度高、轉移火力快、發射無后坐力、發射精度高、殺傷威力大、抗干擾能力強等特點成為飛行器等各類武器裝的致命殺手。在世界主要軍事國家中，美國在激光武器的研究方面走在前列。2009 年1 月實現了105kW 的輸出，達到了激光武器應用的第三階段100kW 輸出功率的目標。100kW 功率一向被視為武器級高能激光的門檻，高能激光武器已逐漸成為各軍事大國反導彈、反衛星、反各類飛行器和地面目標的重要打擊手段。

    隨著高能激光武器逐漸進入實戰應用階段，激光防護技術研究備受關注。通過材料技術進行激光防護包括薄膜類、結構類和涂層類。薄膜類主要針對衛星光學系統和光電傳感器的反激光防護，主要采用在光學和傳感器表面鍍制薄膜的方法； 結構類主要指通過結構設計實現結構功能一體化，達到激光防護目的，例如美國1998 年報道的對飛機某些敏感部位設計為板材外加金屬網來實現激光防護，金屬網根據需求可設計為多層； 涂層類材料是飛機最傳統的防護和實現特殊功能的材料形式，由于可采用簡單的空氣噴涂或刷涂工藝進行施工，因此是應用成本最低最適用的防護材料之一，但由于對抗激光的涂層材料對材料性能要求極高，因此激光防護涂層材料技術研究在國內外都屬于全新的領域。本工作從通用防護涂料的制備工藝入手，通過配方設計和工藝優化，制備出了性能優良的抗激光燒蝕涂層材料。

    1 實驗材料及方法

    1. 1 涂層制備

    以有機硅樹脂、聚碳硅烷為黏結劑，添加Al2O3，SiC，ZrO2， SiO2，BN，玻璃粉、碳纖維等填料形成混合料漿，混合料漿在砂磨機上研磨，達到細度40 ～50μm。然后在尺寸為50mm × 100mm × 2mm，表面經過磷化處理的30CrMnSiA 鋼板表面制備涂層。涂層制備采用普通空氣噴涂法，空氣壓力為0. 4MPa，噴槍由德國SATA 公司提供，口徑為0. 8 ～ 1mm。具體噴涂過程依照所需厚度共分若干道完成，以垂直交叉噴涂一次視為一道，每道間需有一定時間間隔，以達到一定程度的表干，防止流淌。噴涂完畢，在室溫下放置48h，然后在200℃下烘烤2h 固化成膜。

    1. 2 性能表征

    固化完全的涂層首先在馬弗爐里烘烤，由室溫加熱到600℃，保溫2h，隨爐冷卻至室溫，參照標準GB /T 9286—1998。采用劃格法測試漆膜附著力，并用體式顯微鏡對涂層表面進行觀察進行性能初評。然后在氧-乙炔下燒蝕，觀察不同火焰溫度下燒蝕4s 后涂層的燒蝕形貌。最后在激光束輻照下進行抗激光燒蝕測試，激光輻照時間為（ 4 ± 0. 2） s，激光輻照過程中在背面焊接熱電偶，以監測溫升過程。

    熱電偶采用了鎳鉻-鎳硅合金的K 型熱電偶，長期測溫極限為1300℃。當溫度過高導致熱電偶與背板連接松弛或脫落，則所得溫度曲線會出現抖動。本工作中的各種溫度曲線均為熱電偶焊接牢固的可靠測量。激光燒蝕測試在成都精密光學工程中心進行，激光器波長1064nm，功率范圍101 ～ 4000W。

    2 實驗結果與分析

    2. 1 涂層耐溫實驗結果

    按照表1 所示配方制備涂層，涂層總厚度40 ～50μm，其中3#涂層為雙層結構，上下兩層采用不同配方，上層填料含BN，厚度約為總厚度的1 /5。置于600℃馬弗爐中保溫2h，高溫加熱后的涂層狀況如圖1 所示。根據圖1 所顯示的結果可以看出，由于碳纖維的加入，2#涂層相對于1# 涂層，受熱后裂紋更加明顯，說明有碳纖維存在的體系，涂層的熱應力增加。

    相比之下，3#涂層相對于1#涂層，受熱后表面裂紋明顯改善。這是由于其雙層結構在受熱過程中，上層均勻分散的BN 粉末具有良好的導熱作用，可以避免漆膜局部過熱，同時也利于熱量散發到周圍環境，一定程度上緩解熱應力，提高了漆膜耐熱性。同時，上層玻璃粉加量較多，也能減少粉化現象而且可以使上下兩層更好地融合。

    2. 2 涂層耐氧炔焰燒蝕實驗結果

    按照表1 所示配方制備涂層，涂層厚度500 ～600μm，然后用不同溫度的氧炔焰模擬激光燒蝕4s。由圖2 可以看出，1# 涂層在燒蝕后基體背部未出現明顯的變化，而在燒蝕區域周邊出現深裂紋。

    在2000℃燒蝕后，燒蝕中心形成丘陵（ 見圖3） ，而3000℃燒蝕后，丘陵中心形成了凹陷，這是由于配方中ZrO2的作用。ZrO2是一種典型的相變陶瓷，低溫穩定相是單斜相，在1000℃左右轉變為四方相，2370℃左右相變為立方相，從高溫到低溫冷卻過程中發生反方向相變。從低溫到高溫，每一次相變都伴隨著體積收縮，從高溫到低溫，每一次相變都伴隨著體積膨脹。隨著燒蝕區域涂層溫度升高，ZrO2發生相變，體積收縮，因此，在燒蝕中心形成丘陵。由于ZrO2的比熱和導熱系數較小，燒蝕區域周邊并沒有迅速升溫至發生相變，從而導致中心區域周邊出現深的溝壑。

    2#涂層的燒蝕形貌與1# 極為相似，只是燒蝕區域周邊涂層表面卷曲更為嚴重，這說明碳纖維的加入并未如預期中起到增強的作用，反而加重了涂層的脫落，降低了其附著性能。

    3#涂層燒蝕后基體背部未發生明顯變化。與1#試樣相比，表面炭化發黑嚴重，并且覆蓋一層容易脫落的疏松結構（ 見圖6） 。這是由于上層中BN在空氣中溫度達到800℃以上時發生明顯氧化，氧化生成的B2O3在溫度達到1 000℃時開始以氣態大量揮發，減弱了涂層的防護作用。另一方面，雖然B2O3在材料表面可形成液膜，對氧向材料內部的侵入有一定的阻礙作用，但是據文獻報道，B2O3和ZrO2相容性并不好，因此難以很好的起到隔絕氧氣的作用。

    結合耐溫性試驗不難發現，BN 的加入對改善涂層性能是一把雙刃劍。一方面，BN 涂層能夠有效地減少漆膜高溫開裂情況，改善涂層的耐溫性； 另一方面，BN 又會降低涂層的耐燒蝕性能。故而在實際應用中要綜合考慮這兩方面的效果，根據具體要求合理確定涂層配方。

    2. 3 涂層耐激光燒蝕試驗結果

    根據氧炔焰模擬激光燒蝕結果，選用1# 涂層與空白鋼板進行激光燒蝕，對比結果從而驗證該配方涂層的抗激光燒蝕性能。涂層厚度900 ～ 1000μm，輻照參數由表2 給出。

    由圖7 可以看出空白鋼板在激光輻照下，正面和背面均有明顯的燒蝕破壞區，而表面涂覆1#涂層的鋼板只是正面涂層被激光燒傷，背面并沒發現明顯變化，說明激光并未穿透涂層而給基材帶來損傷，該涂層對激光輻照具有優良的耐受性，有效地起到了保護基材的作用。圖8 給出燒蝕過程中空白鋼板和帶涂層鋼板背面溫度變化曲線，可以進一步證實涂層抗激光燒蝕效果。圖中兩條曲線代表燒蝕過程中鋼板背面的溫度變化情況。空白鋼板沒有涂層保護，受激光輻照后，溫度急速上升，峰值溫度達到1387℃，輻照停止后，溫度迅速回落； 而對于涂覆1#涂層的鋼板，受到激光輻照后溫度上升較為緩慢，峰值溫度為246℃，在輻照停止后，溫度下降速度也比空白鋼板緩慢。可以看出涂層具有顯著耐燒蝕隔熱效果，厚度在900 ～1000μm 范圍，在1mm厚30CrMnSiA 鋼表面的隔熱效果達到1000℃以上。

    3 結論

    （1） 以有機硅樹脂、聚碳硅烷和玻璃粉為黏結劑，添加Al2O3，BN，SiC，ZrO2，SiO2和碳纖維等耐熱填料制備了抗激光燒蝕涂層，所制備涂層具有良好的抗激光燒蝕和隔熱性能。

    （2） 所制備涂層在900 ～ 1000μm 厚度范圍內，在531W/cm2 激光功率密度下照射4s，對1mm 厚30CrMnSiA 鋼表面的隔熱效果達到1000℃以上。

    （3） 在1000℃以下的溫度段，BN 能有效改善涂層耐熱性，減少涂層受熱開裂，在1000℃以上的高溫熱燒蝕階段，BN 較低的氧化溫度導致其被燒蝕表面形成疏松結構，無法起到保護基材的作用；而碳纖維在整個受熱溫度段均未如期起到對涂層的補強作用，而是增加了涂層受熱開裂傾向和涂層的脫落。對抗激光燒蝕起關鍵作用的是低導熱系數的ZrO2。

更多關于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內外最新動態，我們網站會不斷更新。希望大家一直關注中國腐蝕與防護網http://www.ecorr.org

責任編輯：王元

《中國腐蝕與防護網電子期刊》征訂啟事
投稿聯系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：fsfhzy666@163.com
中國腐蝕與防護網官方 QQ群：140808414