利用(yong)激光(guang)(guang)的(de)直(zhi)接照射(she)而殺(sha)(sha)傷目標的(de)武(wu)(wu)器(qi)被稱(cheng)為激光(guang)(guang)武(wu)(wu)器(qi)。激光(guang)(guang)武(wu)(wu)器(qi)具有傳播(bo)速度高(gao)、轉移(yi)火力(li)快、發(fa)射(she)無后坐力(li)、發(fa)射(she)精度高(gao)、殺(sha)(sha)傷威力(li)大、抗干擾(rao)能(neng)力(li)強(qiang)等特點成為飛(fei)行器(qi)等各類(lei)武(wu)(wu)器(qi)裝的(de)致(zhi)命殺(sha)(sha)手。在(zai)世(shi)界主要(yao)軍事國家中，美(mei)國在(zai)激光(guang)(guang)武(wu)(wu)器(qi)的(de)研究方面(mian)走在(zai)前(qian)列(lie)。2009 年(nian)1 月實現了105kW 的(de)輸出，達到了激光(guang)(guang)武(wu)(wu)器(qi)應(ying)用(yong)的(de)第三階段100kW 輸出功(gong)率的(de)目標。100kW 功(gong)率一向被視為武(wu)(wu)器(qi)級高(gao)能(neng)激光(guang)(guang)的(de)門檻，高(gao)能(neng)激光(guang)(guang)武(wu)(wu)器(qi)已逐漸成為各軍事大國反導(dao)彈(dan)、反衛星(xing)、反各類(lei)飛(fei)行器(qi)和地面(mian)目標的(de)重要(yao)打擊手段。

隨著高能(neng)(neng)激(ji)光(guang)武器(qi)逐(zhu)漸進入實(shi)戰(zhan)應(ying)用(yong)階段，激(ji)光(guang)防(fang)護技(ji)術研究備受關(guan)注。通過材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)技(ji)術進行激(ji)光(guang)防(fang)護包(bao)括薄(bo)(bo)膜(mo)類(lei)(lei)(lei)(lei)、結構類(lei)(lei)(lei)(lei)和(he)(he)(he)涂(tu)(tu)層類(lei)(lei)(lei)(lei)。薄(bo)(bo)膜(mo)類(lei)(lei)(lei)(lei)主要針對(dui)(dui)衛星光(guang)學系統和(he)(he)(he)光(guang)電傳感(gan)器(qi)的(de)(de)(de)反激(ji)光(guang)防(fang)護，主要采(cai)(cai)用(yong)在(zai)光(guang)學和(he)(he)(he)傳感(gan)器(qi)表(biao)面鍍制薄(bo)(bo)膜(mo)的(de)(de)(de)方法(fa)； 結構類(lei)(lei)(lei)(lei)主要指通過結構設(she)(she)計實(shi)現(xian)結構功能(neng)(neng)一體化，達到(dao)激(ji)光(guang)防(fang)護目(mu)的(de)(de)(de)，例如美(mei)國(guo)1998 年報道的(de)(de)(de)對(dui)(dui)飛機(ji)某些敏感(gan)部位設(she)(she)計為板(ban)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)外(wai)加金(jin)屬網(wang)來實(shi)現(xian)激(ji)光(guang)防(fang)護，金(jin)屬網(wang)根(gen)據需求可(ke)(ke)設(she)(she)計為多層； 涂(tu)(tu)層類(lei)(lei)(lei)(lei)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)是飛機(ji)最傳統的(de)(de)(de)防(fang)護和(he)(he)(he)實(shi)現(xian)特殊(shu)功能(neng)(neng)的(de)(de)(de)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)形式，由(you)于(yu)可(ke)(ke)采(cai)(cai)用(yong)簡單的(de)(de)(de)空氣噴涂(tu)(tu)或刷涂(tu)(tu)工(gong)藝(yi)進行施工(gong)，因此(ci)是應(ying)用(yong)成本(ben)最低(di)最適用(yong)的(de)(de)(de)防(fang)護材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)之一，但由(you)于(yu)對(dui)(dui)抗激(ji)光(guang)的(de)(de)(de)涂(tu)(tu)層材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)對(dui)(dui)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)性(xing)能(neng)(neng)要求極(ji)高，因此(ci)激(ji)光(guang)防(fang)護涂(tu)(tu)層材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)技(ji)術研究在(zai)國(guo)內外(wai)都屬于(yu)全新的(de)(de)(de)領域。本(ben)工(gong)作從通用(yong)防(fang)護涂(tu)(tu)料(liao)的(de)(de)(de)制備工(gong)藝(yi)入手，通過配方設(she)(she)計和(he)(he)(he)工(gong)藝(yi)優化，制備出了性(xing)能(neng)(neng)優良的(de)(de)(de)抗激(ji)光(guang)燒(shao)蝕(shi)涂(tu)(tu)層材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)。

1 實驗材料及方(fang)法

1. 1 涂層制備

以有機硅樹脂、聚(ju)碳硅烷為(wei)(wei)(wei)黏結劑，添(tian)加Al2O3，SiC，ZrO2， SiO2，BN，玻(bo)璃粉、碳纖維等填料形成(cheng)(cheng)混合(he)料漿，混合(he)料漿在(zai)砂磨機上研磨，達(da)到(dao)(dao)細(xi)度40 ～50μm。然后(hou)在(zai)尺寸為(wei)(wei)(wei)50mm × 100mm × 2mm，表(biao)面(mian)(mian)經過磷化處(chu)理的30CrMnSiA 鋼板表(biao)面(mian)(mian)制備涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)。涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)制備采(cai)用普通空(kong)氣噴涂(tu)(tu)(tu)法，空(kong)氣壓力為(wei)(wei)(wei)0. 4MPa，噴槍由德國SATA 公司提供，口(kou)徑為(wei)(wei)(wei)0. 8 ～ 1mm。具體(ti)噴涂(tu)(tu)(tu)過程依(yi)照所(suo)需(xu)厚度共分(fen)若(ruo)干道(dao)完成(cheng)(cheng)，以垂直交叉噴涂(tu)(tu)(tu)一次(ci)視為(wei)(wei)(wei)一道(dao)，每道(dao)間需(xu)有一定(ding)時間間隔，以達(da)到(dao)(dao)一定(ding)程度的表(biao)干，防止流淌。噴涂(tu)(tu)(tu)完畢，在(zai)室(shi)溫下放(fang)置48h，然后(hou)在(zai)200℃下烘烤2h 固(gu)化成(cheng)(cheng)膜。

1. 2 性能表征

固化完全的(de)涂(tu)層(ceng)首先(xian)在(zai)(zai)馬弗爐里烘烤，由(you)室溫(wen)加熱到600℃，保溫(wen)2h，隨爐冷卻至室溫(wen)，參照標(biao)準GB /T 9286—1998。采用劃格法測試漆膜附著力，并(bing)用體式顯微鏡對涂(tu)層(ceng)表面(mian)進行(xing)(xing)觀察(cha)進行(xing)(xing)性(xing)能初評。然后在(zai)(zai)氧-乙炔(gui)下燒(shao)蝕(shi)，觀察(cha)不同(tong)火(huo)焰(yan)溫(wen)度下燒(shao)蝕(shi)4s 后涂(tu)層(ceng)的(de)燒(shao)蝕(shi)形貌。最后在(zai)(zai)激光(guang)(guang)束輻(fu)照下進行(xing)(xing)抗激光(guang)(guang)燒(shao)蝕(shi)測試，激光(guang)(guang)輻(fu)照時間為（ 4 ± 0. 2） s，激光(guang)(guang)輻(fu)照過程中在(zai)(zai)背面(mian)焊接熱電偶，以監測溫(wen)升過程。

熱(re)電(dian)偶采(cai)用(yong)了鎳(nie)鉻-鎳(nie)硅(gui)合金的K 型熱(re)電(dian)偶，長(chang)期測溫極限為(wei)1300℃。當溫度過高導致熱(re)電(dian)偶與背板連(lian)接松弛或(huo)脫落，則所得溫度曲(qu)線會出現(xian)抖動。本工作中的各種(zhong)溫度曲(qu)線均為(wei)熱(re)電(dian)偶焊(han)接牢固的可靠測量。激(ji)(ji)光(guang)燒(shao)蝕測試(shi)在成都精密光(guang)學工程中心進行，激(ji)(ji)光(guang)器波長(chang)1064nm，功(gong)率范(fan)圍101 ～ 4000W。

2 實(shi)驗結(jie)果與分析

2. 1 涂層耐溫(wen)實驗結果

按照表1 所示配(pei)方制備(bei)涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)，涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)總(zong)厚(hou)度40 ～50μm，其中(zhong)3#涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)為雙層(ceng)(ceng)(ceng)結(jie)構，上下兩層(ceng)(ceng)(ceng)采用不同(tong)配(pei)方，上層(ceng)(ceng)(ceng)填料含(han)BN，厚(hou)度約為總(zong)厚(hou)度的1 /5。置于(yu)(yu)600℃馬弗爐(lu)中(zhong)保溫2h，高溫加熱后的涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)狀(zhuang)況如圖(tu)1 所示。根據(ju)圖(tu)1 所顯示的結(jie)果可(ke)以(yi)看出(chu)，由于(yu)(yu)碳纖維(wei)的加入，2#涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)相對于(yu)(yu)1# 涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)，受熱后裂紋(wen)更(geng)加明顯，說明有碳纖維(wei)存在的體系(xi)，涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)的熱應(ying)力增(zeng)加。

相比之下(xia)，3#涂(tu)層相對于(yu)(yu)1#涂(tu)層，受熱(re)(re)(re)后表面(mian)裂紋明(ming)顯改善。這是由于(yu)(yu)其雙層結構在受熱(re)(re)(re)過(guo)程中，上層均(jun)勻分散的(de)BN 粉末(mo)具有良好的(de)導熱(re)(re)(re)作(zuo)用，可(ke)以(yi)避免漆膜局(ju)部過(guo)熱(re)(re)(re)，同時也(ye)利于(yu)(yu)熱(re)(re)(re)量散發到周(zhou)圍環(huan)境，一定程度上緩(huan)解熱(re)(re)(re)應力，提(ti)高(gao)了漆膜耐熱(re)(re)(re)性。同時，上層玻(bo)璃粉加量較(jiao)多(duo)，也(ye)能減(jian)少粉化現(xian)象(xiang)而且可(ke)以(yi)使上下(xia)兩層更好地融合。

2. 2 涂層(ceng)耐氧(yang)炔焰(yan)燒(shao)蝕實驗(yan)結果

按(an)照表1 所(suo)示(shi)配(pei)方(fang)制備涂(tu)層，涂(tu)層厚度500 ～600μm，然后用不同溫度的(de)氧炔(gui)焰(yan)模擬激光燒蝕(shi)4s。由圖2 可(ke)以看出，1# 涂(tu)層在(zai)燒蝕(shi)后基(ji)體背部未出現明(ming)顯的(de)變化，而在(zai)燒蝕(shi)區域周(zhou)邊出現深裂紋(wen)。

在(zai)2000℃燒蝕(shi)(shi)后(hou)，燒蝕(shi)(shi)中心形(xing)成丘陵（ 見圖(tu)3） ，而3000℃燒蝕(shi)(shi)后(hou)，丘陵中心形(xing)成了(le)凹陷，這是由于配方(fang)中ZrO2的(de)(de)作(zuo)用。ZrO2是一種典型(xing)的(de)(de)相(xiang)(xiang)變陶瓷，低(di)溫(wen)(wen)(wen)(wen)穩定相(xiang)(xiang)是單斜相(xiang)(xiang)，在(zai)1000℃左右(you)轉變為(wei)四方(fang)相(xiang)(xiang)，2370℃左右(you)相(xiang)(xiang)變為(wei)立(li)方(fang)相(xiang)(xiang)，從(cong)(cong)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)到低(di)溫(wen)(wen)(wen)(wen)冷卻過程中發生反方(fang)向(xiang)相(xiang)(xiang)變。從(cong)(cong)低(di)溫(wen)(wen)(wen)(wen)到高(gao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)，每一次相(xiang)(xiang)變都(dou)伴(ban)隨著體積(ji)收(shou)(shou)縮，從(cong)(cong)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)到低(di)溫(wen)(wen)(wen)(wen)，每一次相(xiang)(xiang)變都(dou)伴(ban)隨著體積(ji)膨脹。隨著燒蝕(shi)(shi)區(qu)域(yu)(yu)涂層溫(wen)(wen)(wen)(wen)度升高(gao)，ZrO2發生相(xiang)(xiang)變，體積(ji)收(shou)(shou)縮，因此，在(zai)燒蝕(shi)(shi)中心形(xing)成丘陵。由于ZrO2的(de)(de)比熱和導(dao)熱系(xi)數較(jiao)小，燒蝕(shi)(shi)區(qu)域(yu)(yu)周邊(bian)并沒有迅速升溫(wen)(wen)(wen)(wen)至(zhi)發生相(xiang)(xiang)變，從(cong)(cong)而導(dao)致中心區(qu)域(yu)(yu)周邊(bian)出現深的(de)(de)溝壑。

2#涂(tu)層(ceng)的燒蝕形貌與1# 極為相似，只是燒蝕區域周邊涂(tu)層(ceng)表面卷曲(qu)更為嚴重，這說明碳(tan)纖維的加(jia)入(ru)并未如預期中起到增強的作用，反而加(jia)重了(le)涂(tu)層(ceng)的脫落，降低了(le)其附(fu)著(zhu)性能。

3#涂(tu)層(ceng)燒蝕(shi)后基(ji)體(ti)背部未發(fa)生明顯變化。與1#試樣相(xiang)比，表面炭化發(fa)黑嚴重，并且(qie)覆蓋一層(ceng)容易脫(tuo)落的(de)疏(shu)松結(jie)構（ 見圖6） 。這是(shi)由于上層(ceng)中BN在空氣中溫(wen)度達(da)到800℃以上時(shi)發(fa)生明顯氧(yang)化，氧(yang)化生成(cheng)的(de)B2O3在溫(wen)度達(da)到1 000℃時(shi)開始以氣態大量揮(hui)發(fa)，減弱了(le)涂(tu)層(ceng)的(de)防護作用(yong)(yong)。另一方面，雖(sui)然B2O3在材料(liao)表面可形成(cheng)液膜(mo)，對氧(yang)向(xiang)材料(liao)內部的(de)侵入(ru)有一定的(de)阻礙作用(yong)(yong)，但(dan)是(shi)據(ju)文獻報道，B2O3和ZrO2相(xiang)容性并不好，因(yin)此(ci)難以很好的(de)起到隔絕(jue)氧(yang)氣的(de)作用(yong)(yong)。

結合耐(nai)溫(wen)(wen)性試(shi)驗(yan)不難(nan)發現，BN 的(de)加入(ru)對(dui)改善涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)性能(neng)是(shi)一(yi)把雙刃劍。一(yi)方(fang)面(mian)，BN 涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)能(neng)夠有效地減少漆膜高溫(wen)(wen)開裂(lie)情(qing)況(kuang)，改善涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)的(de)耐(nai)溫(wen)(wen)性； 另(ling)一(yi)方(fang)面(mian)，BN 又會降低涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)的(de)耐(nai)燒(shao)蝕性能(neng)。故(gu)而在實際應用中要綜合考(kao)慮(lv)這(zhe)兩方(fang)面(mian)的(de)效果，根據(ju)具體要求合理確定(ding)涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)配方(fang)。

2. 3 涂層耐(nai)激光燒蝕試驗結果

根據氧炔(gui)焰模擬激光燒蝕結(jie)果(guo)，選用1# 涂層與(yu)空(kong)白鋼板進行激光燒蝕，對比(bi)結(jie)果(guo)從而驗證(zheng)該配方涂層的抗激光燒蝕性(xing)能。涂層厚度900 ～ 1000μm，輻照參數由表2 給(gei)出。

由(you)圖(tu)7 可(ke)以(yi)(yi)看(kan)出空白(bai)鋼(gang)板(ban)在(zai)激(ji)(ji)光(guang)輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)(zhao)(zhao)下，正(zheng)面(mian)(mian)和背(bei)面(mian)(mian)均(jun)有(you)明(ming)顯(xian)的(de)(de)燒(shao)蝕(shi)破壞區，而表面(mian)(mian)涂(tu)覆1#涂(tu)層(ceng)(ceng)的(de)(de)鋼(gang)板(ban)只是(shi)正(zheng)面(mian)(mian)涂(tu)層(ceng)(ceng)被激(ji)(ji)光(guang)燒(shao)傷(shang)，背(bei)面(mian)(mian)并沒發現明(ming)顯(xian)變化(hua)，說(shuo)明(ming)激(ji)(ji)光(guang)并未穿透涂(tu)層(ceng)(ceng)而給基材(cai)帶來損傷(shang)，該涂(tu)層(ceng)(ceng)對(dui)激(ji)(ji)光(guang)輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)(zhao)(zhao)具有(you)優良的(de)(de)耐受性，有(you)效(xiao)(xiao)地起到(dao)了保護基材(cai)的(de)(de)作用。圖(tu)8 給出燒(shao)蝕(shi)過程中(zhong)空白(bai)鋼(gang)板(ban)和帶涂(tu)層(ceng)(ceng)鋼(gang)板(ban)背(bei)面(mian)(mian)溫(wen)度變化(hua)曲(qu)線(xian)，可(ke)以(yi)(yi)進一步證實涂(tu)層(ceng)(ceng)抗激(ji)(ji)光(guang)燒(shao)蝕(shi)效(xiao)(xiao)果。圖(tu)中(zhong)兩條曲(qu)線(xian)代表燒(shao)蝕(shi)過程中(zhong)鋼(gang)板(ban)背(bei)面(mian)(mian)的(de)(de)溫(wen)度變化(hua)情況。空白(bai)鋼(gang)板(ban)沒有(you)涂(tu)層(ceng)(ceng)保護，受激(ji)(ji)光(guang)輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)(zhao)(zhao)后，溫(wen)度急速上升(sheng)，峰值溫(wen)度達到(dao)1387℃，輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)(zhao)(zhao)停止后，溫(wen)度迅速回落； 而對(dui)于(yu)涂(tu)覆1#涂(tu)層(ceng)(ceng)的(de)(de)鋼(gang)板(ban)，受到(dao)激(ji)(ji)光(guang)輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)(zhao)(zhao)后溫(wen)度上升(sheng)較為(wei)緩慢，峰值溫(wen)度為(wei)246℃，在(zai)輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)(zhao)(zhao)停止后，溫(wen)度下降(jiang)速度也(ye)比(bi)空白(bai)鋼(gang)板(ban)緩慢。可(ke)以(yi)(yi)看(kan)出涂(tu)層(ceng)(ceng)具有(you)顯(xian)著耐燒(shao)蝕(shi)隔熱效(xiao)(xiao)果，厚(hou)度在(zai)900 ～1000μm 范圍，在(zai)1mm厚(hou)30CrMnSiA 鋼(gang)表面(mian)(mian)的(de)(de)隔熱效(xiao)(xiao)果達到(dao)1000℃以(yi)(yi)上。

3 結論

（1） 以有機(ji)硅(gui)樹脂、聚(ju)碳硅(gui)烷和玻璃粉為黏結劑，添加Al2O3，BN，SiC，ZrO2，SiO2和碳纖維等耐熱(re)填料(liao)制備(bei)了抗激光(guang)燒(shao)(shao)蝕涂層，所制備(bei)涂層具有良好的抗激光(guang)燒(shao)(shao)蝕和隔熱(re)性能。

（2） 所(suo)制備涂(tu)層在(zai)900 ～ 1000μm 厚(hou)度范圍內，在(zai)531W/cm2 激光功率密(mi)度下(xia)照射4s，對1mm 厚(hou)30CrMnSiA 鋼表(biao)面的隔(ge)熱效果達到(dao)1000℃以上。

（3） 在(zai)1000℃以下的(de)(de)(de)溫(wen)度段(duan)，BN 能有效改善(shan)涂(tu)層(ceng)(ceng)耐(nai)熱(re)性，減少涂(tu)層(ceng)(ceng)受(shou)熱(re)開裂，在(zai)1000℃以上(shang)的(de)(de)(de)高(gao)溫(wen)熱(re)燒蝕(shi)階段(duan)，BN 較(jiao)低的(de)(de)(de)氧化溫(wen)度導致其被燒蝕(shi)表面形成疏松結構，無法(fa)起到保護基材的(de)(de)(de)作用；而碳(tan)纖(xian)維在(zai)整個受(shou)熱(re)溫(wen)度段(duan)均(jun)未如期起到對涂(tu)層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)補強作用，而是增(zeng)加了涂(tu)層(ceng)(ceng)受(shou)熱(re)開裂傾(qing)向和涂(tu)層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)脫落。對抗(kang)激(ji)光(guang)燒蝕(shi)起關鍵作用的(de)(de)(de)是低導熱(re)系數的(de)(de)(de)ZrO2。