利用激光的直接照射而殺傷目標(biāo)的武器被稱為激光武器。激光武器具有傳播速度高、轉(zhuǎn)移火力快、發(fā)射無后坐力、發(fā)射精度高、殺傷威力大、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了105kW 的輸出，達(dá)到了激光武器應(yīng)用的第三階段100kW 輸出功率的目標(biāo)。100kW 功率一向被視為武器級(jí)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(dǎo)彈、反衛(wèi)星、反各類飛行器和地面目標(biāo)的重要打擊手段。

隨著高能激光武器逐漸進(jìn)入實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用階段，激光防護(hù)技術(shù)研究備受關(guān)注。通過材料技術(shù)進(jìn)行激光防護(hù)包括薄膜類、結(jié)構(gòu)類和涂層類。薄膜類主要針對(duì)衛(wèi)星光學(xué)系統(tǒng)和光電傳感器的反激光防護(hù)，主要采用在光學(xué)和傳感器表面鍍制薄膜的方法； 結(jié)構(gòu)類主要指通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化，達(dá)到激光防護(hù)目的，例如美國1998 年報(bào)道的對(duì)飛機(jī)某些敏感部位設(shè)計(jì)為板材外加金屬網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)激光防護(hù)，金屬網(wǎng)根據(jù)需求可設(shè)計(jì)為多層； 涂層類材料是飛機(jī)最傳統(tǒng)的防護(hù)和實(shí)現(xiàn)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(jìn)行施工，因此是應(yīng)用成本最低最適用的防護(hù)材料之一，但由于對(duì)抗激光的涂層材料對(duì)材料性能要求極高，因此激光防護(hù)涂層材料技術(shù)研究在國內(nèi)外都屬于全新的領(lǐng)域。本工作從通用防護(hù)涂料的制備工藝入手，通過配方設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化，制備出了性能優(yōu)良的抗激光燒蝕涂層材料。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1. 1 涂層制備

以有機(jī)硅樹脂、聚碳硅烷為黏結(jié)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(jī)上研磨，達(dá)到細(xì)度40 ～50μm。然后在尺寸為50mm × 100mm × 2mm，表面經(jīng)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(shí)間間隔，以達(dá)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(biāo)準(zhǔn)GB /T 9286—1998。采用劃格法測(cè)試漆膜附著力，并用體式顯微鏡對(duì)涂層表面進(jìn)行觀察進(jìn)行性能初評(píng)。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(jìn)行抗激光燒蝕測(cè)試，激光輻照時(shí)間為（ 4 ± 0. 2） s，激光輻照過程中在背面焊接熱電偶，以監(jiān)測(cè)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(cè)溫極限為1300℃。當(dāng)溫度過高導(dǎo)致熱電偶與背板連接松弛或脫落，則所得溫度曲線會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)。本工作中的各種溫度曲線均為熱電偶焊接牢固的可靠測(cè)量。激光燒蝕測(cè)試在成都精密光學(xué)工程中心進(jìn)行，激光器波長1064nm，功率范圍101 ～ 4000W。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2. 1 涂層耐溫實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)構(gòu)，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(jù)圖1 所顯示的結(jié)果可以看出，由于碳纖維的加入，2#涂層相對(duì)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(yīng)力增加。

相比之下，3#涂層相對(duì)于1#涂層，受熱后表面裂紋明顯改善。這是由于其雙層結(jié)構(gòu)在受熱過程中，上層均勻分散的BN 粉末具有良好的導(dǎo)熱作用，可以避免漆膜局部過熱，同時(shí)也利于熱量散發(fā)到周圍環(huán)境，一定程度上緩解熱應(yīng)力，提高了漆膜耐熱性。同時(shí)，上層玻璃粉加量較多，也能減少粉化現(xiàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(xiàn)明顯的變化，而在燒蝕區(qū)域周邊出現(xiàn)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(wěn)定相是單斜相，在1000℃左右轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较啵?370℃左右相變?yōu)榱⒎较啵瑥母邷氐降蜏乩鋮s過程中發(fā)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(qū)域涂層溫度升高，ZrO2發(fā)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(dǎo)熱系數(shù)較小，燒蝕區(qū)域周邊并沒有迅速升溫至發(fā)生相變，從而導(dǎo)致中心區(qū)域周邊出現(xiàn)深的溝壑。

2#涂層的燒蝕形貌與1# 極為相似，只是燒蝕區(qū)域周邊涂層表面卷曲更為嚴(yán)重，這說明碳纖維的加入并未如預(yù)期中起到增強(qiáng)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(fā)生明顯變化。與1#試樣相比，表面炭化發(fā)黑嚴(yán)重，并且覆蓋一層容易脫落的疏松結(jié)構(gòu)（ 見圖6） 。這是由于上層中BN在空氣中溫度達(dá)到800℃以上時(shí)發(fā)生明顯氧化，氧化生成的B2O3在溫度達(dá)到1 000℃時(shí)開始以氣態(tài)大量揮發(fā)，減弱了涂層的防護(hù)作用。另一方面，雖然B2O3在材料表面可形成液膜，對(duì)氧向材料內(nèi)部的侵入有一定的阻礙作用，但是據(jù)文獻(xiàn)報(bào)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(jié)合耐溫性試驗(yàn)不難發(fā)現(xiàn)，BN 的加入對(duì)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(huì)降低涂層的耐燒蝕性能。故而在實(shí)際應(yīng)用中要綜合考慮這兩方面的效果，根據(jù)具體要求合理確定涂層配方。

2. 3 涂層耐激光燒蝕試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)氧炔焰模擬激光燒蝕結(jié)果，選用1# 涂層與空白鋼板進(jìn)行激光燒蝕，對(duì)比結(jié)果從而驗(yàn)證該配方涂層的抗激光燒蝕性能。涂層厚度900 ～ 1000μm，輻照參數(shù)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(qū)，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(fā)現(xiàn)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(duì)激光輻照具有優(yōu)良的耐受性，有效地起到了保護(hù)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(jìn)一步證實(shí)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(hù)，受激光輻照后，溫度急速上升，峰值溫度達(dá)到1387℃，輻照停止后，溫度迅速回落； 而對(duì)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?？梢钥闯鐾繉泳哂酗@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(dá)到1000℃以上。

3 結(jié)論

（1） 以有機(jī)硅樹脂、聚碳硅烷和玻璃粉為黏結(jié)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(nèi)，在531W/cm2 激光功率密度下照射4s，對(duì)1mm 厚30CrMnSiA 鋼表面的隔熱效果達(dá)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?zé)釤g階段，BN 較低的氧化溫度導(dǎo)致其被燒蝕表面形成疏松結(jié)構(gòu)，無法起到保護(hù)基材的作用；而碳纖維在整個(gè)受熱溫度段均未如期起到對(duì)涂層的補(bǔ)強(qiáng)作用，而是增加了涂層受熱開裂傾向和涂層的脫落。對(duì)抗激光燒蝕起關(guān)鍵作用的是低導(dǎo)熱系數(shù)的ZrO2。