1、引言

    激光技術在軍事上的主要應用之一是以激光束作為能量載體的各種激光武器。它是利用高亮度強激光束攜帶的巨大能量來摧毀或殺傷敵方飛機、導彈和衛星等目標的高技術新概念武器。

    與其它傳統武器相比，具有無需提前量、打擊精度高、攔截距離遠、作戰靈活和連續戰斗力強等優勢。也正是由于高能激光的這些特點，已經引起了歐美一些軍事強國的極大重視，并對激光武器的研究取得了一定的進展。

    高能激光束使輻照目標發生復雜的損傷破壞效應，即瞬間造成目標毀傷破壞。其毀傷機理主要體現在：熱效應破壞，當材料與高能激光束長時間相互作用時，由于對激光能量大量吸收就會導致材料自身發生汽化，當激光強度超過材料本征的汽化閾值時，會發生激光熱燒蝕現象。與此同時，材料的汽化會使部分呈凝聚態的顆粒或液滴一起被沖刷出去，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有很大的差異。對于金屬材料，當高能激光束作用于其表面時，材料將立刻被加熱，隨后熔融、氣化，發生毀傷破壞。對于高分子材料，在高能激光輻照區域，聚合物迅速溫升、熔化、發生分子解離，即產生熱燒蝕或熱沖擊毀傷效應，并且在輻照結束燒蝕損傷會繼續加劇。對復合材料，在高能激光作用下，其外表面發生燒蝕熱解，同時出現剝離破壞現象，進而導致復合材料力學性能顯著降低。

    高能激光武器的發展已經對現役武器裝備產生了極大的威脅，高能激光的安全與防護形勢愈發緊迫，如何實現有效的激光防護已經引起各軍事強國的極大重視，也是對從事高能激光防護科研人員的新的挑戰。

    2、高能激光防護材料的研究現狀

    高能激光防護目前采用的主要方式有以下幾種：高反射型防護，主要是利用防護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，達到保護基體的目的。熱燒蝕型防護，主要利用材料與高能激光相互作用時發生的熱燒蝕效應，因其高的燒蝕熱焓值能夠消耗大量的激光能量，進而達到保護基體的目的。復合型防護，即防護體系由反射層與燒蝕層或隔熱層雙層結構組成，綜合利用高反射與熱燒蝕 / 熱障原理來實現防護效果。

    目前，國外許多學者已經對高能激光防護展開了一些研究，并取得了較大的進展。Ｒ obertW. Milling 等人在專利中使用金屬材料鋁在飛機蒙皮下方做反射層，保護其免受激光破壞；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定的涂層，同時在防輻射薄膜底部沉積有反射率非常高的金屬層。美國通用公司開發了由石墨作為主要成分的抗激光防護材料，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，從而實現有效的激光防護。美國海軍將含有鋁顏料的有機硅高溫涂料用于激光防護，因其具有優異的反射性能，該材料可在 650℃ 高溫條件下起到抗激光防護作用。國內在抗高能激光防護方面的研究報道較少，主要是集中在熱燒蝕型防護研究方面。李靜等人以有機硅樹脂、聚碳硅烷和玻璃粉為粘結劑，添加無機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復合材料激光輻照效應的模擬程序，計算了激光強度及其穩定性對 C/SiC 陶瓷基復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鋇酚醛樹脂基復合材料，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的反射型高能激光防護材料研究

    現今對高能激光的反射型防護，主要利用各種鍍膜技術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。相比較而言，等離子噴涂技術所制備的反射型高能激光防護涂層則具有良好的應用前景。北京理工大學在國內率先開展了等離子噴涂高能激光防護涂層材料的研究，并取得了可喜的進展。對于金屬材料，通過等離子噴涂工藝能夠實現金屬涂層具有接近其塊體的高反射性。對于陶瓷材料，自主設計研發了新型高反射陶瓷材料，并通過等離子噴涂工藝能夠實現與金屬相當的高反射性。

    等離子噴涂屬于熱噴涂技術的一種，它是利用直流電弧電離工作氣體產生的等離子焰流，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，并使之高速撞擊噴射到預先處理好的工作表面，并沉積在零件表面獲得結合良好的層狀致密涂層。等離子噴涂主要優點如下：等離子焰流溫度高，熱量相對集中，能夠熔化絕大多數高熔點和高硬度的粉末材料。因為等離子噴涂時的焰流噴射速度高，噴涂顆粒能夠獲得較大的動能，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，能有效的保護工件表面和噴涂粉末顆粒在噴涂時的高溫環境中不受氧化，從而獲得相結構單一的涂層。

    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中應用時，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生很大的影響，因此涂層的成分、宏微觀結構等調控技術對制備高反射金屬涂層至關重要。

    北京理工大學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 涂層的成分組織結構，得到高激光反射率的Al 涂層，達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%。這主要是由于優化后的等離子噴涂工藝能夠對 Al涂層的微觀組織結構進行有效的調控，進而實現了涂層的高反射率。

    圖 2 為典型金屬涂層單個顆粒變形形貌。由于熔融金屬的流動性好，熔滴整體向外自由的鋪展，形成扁平盤狀層片結構。典型的金屬涂層由這種扁平狀層片結構單元堆積形成，其截面金相如圖 2（ b）所示，大部分區域金屬變形顆粒搭接狀態良好，結構致密。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構單元的厚度大部分在 2 ～ 5μm 的范圍內，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部與連續塊體材料相似，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），遠小于涂層厚度。當 Al 涂層表面粗糙度小于Ｒ a0.56 時，激光與 Al 涂層的相互作用可以等效為與 Al 涂層中單個變形顆粒的相互作用，Al 涂層能夠達到相當于連續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系的示意圖。金屬涂層反射率隨激光功率密度的關系主要分為兩個區域。在Ⅰ區范圍以內的激光輻照下，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，涂層仍表現為本征反射性能。在 Al 涂層反射率與激光功率密度關系圖中，Ⅰ區和Ⅱ區的分界線約在 2.5×104W/cm 2 ，在此Ⅰ區范圍內 Al 涂層的反射率基本平穩。由于激光器產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定。激光器在低能量輸出時，激光能量偏小而光斑直徑偏大，導致試驗測試數據低于實際值。隨著發射激光能量的增加，激光能量和光斑直徑趨于穩定在設定值，試驗測試的反射率數值也趨于實際值。當激光能量增加到一定值時，Al 金屬涂層的反射率出現拐點。

    在Ⅱ區范圍內，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了氧化。Al 涂層激光輻照損傷區表面形成氧化層的反射率遠小于金屬 Al 的反射率導致了 Al 涂層激光反射率的突降。另外，當輻照的激光功率密度足夠大時，Al 涂層吸收的激光能量會使涂層表面溫度增加。金屬理論研究表明，對于絕大多數金屬，當溫度升高時會改變材料的能帶結構，電子 - 電子以及電子 -聲子之間的散射作用增加使得電導率下降，同時涂層的激光反射率也隨之下降。

    金屬涂層在未達到其激光輻照損傷閾值時仍表現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。

    當激光功率密度為 1×104W/cm 2時，輻照后的涂層因其高反射性能而沒有出現損傷效應，涂層性能穩定。當激光功率密度達到 3×104W/cm 2 時，輻照后的 Al 涂層僅在光斑中心區域出現局部損傷，其微觀放大照片見圖 5，損傷區域的能譜分析表明，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氧化現象，該激光功率密度基本對應 Al 涂層的光學損傷閾值，也就是在 Al 涂層反射率與激光功率密度關系圖上Ⅰ區到Ⅱ區的拐點位置，此時涂層的高反射性能并未出現明顯下降。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的損傷加劇。當輻照在 Al 涂層表面的激光功率密度達到 7×105W/cm 2 時，損傷區的氧元素的原子百分比均在 45%以上，部分區域的鋁元素和氧元素的原子比達到 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，進一步證明了金屬涂層表面氧化現象是導致該涂層激光反射率下降的本質因素，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，但因其熔點相對較低，高溫時易發生氧化等缺點限制了金屬材料在高能激光防護領域中的應用。

    陶瓷材料具有較高的熔點和優良的化學穩定性，有望成為在高能激光防護應用的備選材料。目前，北京理工大學研究了等離子噴涂制備 Al 2 O 3 、ZrO 2 、TiO 2 等傳統氧化物材料的相結構對連續激光反射率的影響，并針對更高能激光的防護需求，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 連續激光的反射率僅為 6.55%±0.20%，而北京理工大學制備的等離子噴涂 Al 2 O 3 涂層對 CO 2 連續激光的反射率為 23.65%±0.80%。通過對 Al 2 O 3 涂層的物相分析，發現等離子噴涂制備的Al 2 O 3 涂層具有兩相結構：γ 相和 α 相，前者為主相。這表明具有不同晶體結構的Al 2 O 3 呈現出對激光的不同反射能力，即不同的能帶結構導致 γ-Al 2 O 3 的激光反射性能優于 α-Al 2 O 3 。從二者的態密度分布圖（見圖 6）可以看出，α-Al 2 O 3因存在 6eV 的禁帶，使價電子的連續躍遷受到阻礙，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，有利于產生電子連續躍遷，從而提高產生光子的幾率，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 涂層的反射率會隨激光功率密度的增加而發生改變。在 600W/cm 2 功率密度輻照時，涂層仍保持著其本征反射率，但當激光功率密度增加到 2000W/cm 2 時，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增加到 9000W/cm 2 ，其反射率水平未發生明顯變化。

    對在功率密度為 2000W/cm 2 連續激光輻照后的涂層試樣進行物相分析，發現在其激光輻照損傷區的主相已轉變為α-Al 2 O 3 。從該涂層表面損傷區域的微觀結構組織（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涂層中的亞穩相 γ-Al 2 O 3 會向穩定相α-Al 2 O 3 轉變，這將導致涂層反射率下降。同時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激光防護效果。

    由于傳統陶瓷材料的反射率普遍較低，面向未來更高功率更長時間的激光防護，現有的材料已不能滿足需求，北京理工大學從“材料基因組”思想出發，探索新型高反射率陶瓷涂層原材料的研發。采用第一性原理和分子動力學方法，建立了能帶結構—介電函數—反射率之間的關系，提出采用高對稱性陶瓷材料并適當摻雜，可使導帶移動到最低能量，使得費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，基于此設計出 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的高反射率。采用高溫固相反應法制備了的 La 1-x Sr x TiO 3+δ 塊體樣品，具有層狀鈣鈦礦晶體結構，晶粒呈層片狀，其在近紅外到中紅外區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。

    通過對噴涂工藝的優化，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%，涂層結合強度可高達 40MPa，高于常見 Al 2 O 3 陶瓷涂層的結合強度（約 30MPa），是傳統熱防護涂層 ZrO 2 的 2 ～ 3倍。這是由于采用優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，進而使涂層內部層狀結構之間得到了有效的緊密結合，減少了涂層中孔隙的形成，因而具有良好力學性能。

    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。這主要是因為在等離子噴涂過程，具有高溫還原性的等離子焰流導致 La 1-x Sr x TiO 3+δ 噴涂顆粒氧元素缺失，進而使制備的 La 1-x Sr x TiO 3+δ陶瓷涂層中存在大量對光產生吸收效應的氧空位缺陷。因此，通過對該涂層采用相關后續熱處理工藝，彌補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 82% 左右，遠遠高于傳統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方面的研究，其良好的力學性能及光學性能為作為新一代的激光反射層材料奠定了基礎。

    4、結束語

    本文介紹了激光武器的發展現狀，闡明了高能激光束熱效應毀傷機理，歸納總結了基于等離子噴涂的反射型激光防護涂層的研究進展。研究表明，開展材料在高能激光輻照條件下的毀傷與防護研究，將對武器裝備的抗激光防護技術的發展具有重要的推動作用，特別是針對硬殺傷的防護，傳統的技術和材料已無法滿足現代軍事激光防護的要求，因此，加強激光防護新材料和新技術的研究、提高武器裝備在現代高技術戰爭條件下的生存能力和突防能力勢在必行。性能穩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材料的發展趨勢。