北理工材料學院鐳射安全與防護研究取得重要進展

圖1 La1-xSrxTiO3+δ塗層晶格結構中氧空位/Ti3+產生機制及其能帶結構變化示意圖

北理工材料學院馬壯教授課題組在鐳射安全與防護研究領域取得重要進展。

近日， 馬壯教授、高麗紅副教授指導的2014級博士生朱錦鵬經過關鍵技術攻關， 在國際知名學術期刊ACS Applied Materials & Interfaces (SCI一區、Top期刊， 影響因數7.504) 線上發表了關於鈣鈦礦型陶瓷塗層材料在鐳射安全與防護方面研究的重要進展: “Ablation behavior of plasma-sprayed La1-xSrxTiO3+δ coating irradiated by high-intensity continuous laser”(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017,9 (40), pp 35444–35452)。

當前雷射器正處於快速發展時期， 隨著鐳射的廣泛使用， 相關光學精密儀器及工程裝備的鐳射安全與防護備受國內外關注。 馬壯教授、王富恥教授、高麗紅副教授經過長期攻關， 自主設計並研製出新型高反射鈣鈦礦結構鈦酸鹽陶瓷材料， 反射率與金屬鋁相當， 且熔點是金屬鋁的3倍， 具有良好的抗鐳射輻照應用前景， 填補了國內外高反射陶瓷材料的空白。 近年來， 鈣鈦礦型氧化物ABO3因具有獨特的晶體結構，

尤其經摻雜後形成特殊的晶體缺陷結構和性能， 使該化合物作為一種新型功能材料在物理、化學等領域成為研究熱點， 並在一些重大工程關鍵環節表現出一定的應用潛力。 但是， 如何解決新型高反射鈦酸鹽鈣鈦礦陶瓷材料在鐳射安全與防護領域中應用的局限性及拓展新型鈣鈦礦材料在鐳射安全與防護工程領域中的有效應用已成為當前研究所面臨的新挑戰。

馬壯教授課題組與國內外領域內權威科研院所就該問題展開共同探索， 有針對性地設計了一系列鐳射輻照實驗， 並在該領域引入多物理場輻照效應數值模擬方法， 探究了鈣鈦礦型鈦酸鹽陶瓷塗層的巨集、微觀結構及光學性能等在連續型鐳射作用下複雜的演變機制，

揭示了鐳射作用過程中影響鈣鈦礦型陶瓷塗層光學性能變化的本質原因(圖1)。 基於傅裡葉熱傳導理論， 建立了多物理場三維近似耦合模型， 自主程式設計實現了對陶瓷塗層與鐳射相互作用過程中溫度場及溫度梯度計算， 突破制約即時反射率變化精准推演(圖2)的國內外關鍵技術難題。 研究表明， 鈣鈦礦塗層材料中氧空位缺陷濃度及Ti3+的含量是影響其鐳射防護效果的關鍵因素， 同時優異的反射性、熱擴散性能也將顯著提高塗層材料的鐳射安全和防護性能。 發現該材料反射率隨溫度可呈現大幅變化， 具有鐳射防護與隱身多功能一體化的應用潛力， 目前正針對這一問題開展關鍵技術攻關。 本研究工作受到了國際同行的認可， 為全面提高新型鈣鈦礦材料的鐳射防護能力， 探索新型防護機制提供了有價值的新思路， 並對進一步加快鐳射安全與防護領域中新材料的研發及推動其在相關裝備中的應用具有重要意義。

圖2 連續型鐳射作用下的La1-xSrxTiO3+δ塗層表面(a)溫度梯度變化 (b)反射率變化

馬壯教授課題組長期致力於鐳射安全與防護領域的應用基礎研究和關鍵技術攻關， 率先開展了等離子噴塗鐳射防護塗層材料研究， 研究團隊經過不斷努力， 對鐳射與塗層材料相互作用耦合機制等基礎理論問題的認識不斷深入， 為發展輕質高效鐳射安全與防護材料體系和結構奠定了重要基礎，

同時針對工程應用中特種裝備快速發展需求， 相繼研發了高反射塗層、熱傳導各向異性散熱塗層、低熱導高熱膨脹隔熱塗層、多效應協同等多種防護塗層材料體系和結構， 保障了重點裝備研製。

該研究工作由多家國內、國際權威高校、科研院所合作完成。 主要合作者包括西北核技術研究所高銀軍博士、鐳射與物質相互作用國家重點實驗室王立君研究員、韋成華研究員、德國慕尼克大學和馬普-量子光學研究所Vladimir Pervak教授。 該論文的第一作者是2014級博士生朱錦鵬， 導師馬壯教授， 副導師及通訊作者高麗紅副教授， 其中王富恥教授對該研究提出了寶貴意見， 該研究工作得到了國家自然科學基金(51302013) 和領域創新基金資助。

文章連結：http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.7b11034。

（審核：李樹奎）

轉自北京理工大學新聞網

文章連結：http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.7b11034。

（審核：李樹奎）

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