北理工材料學院激光安全與防護研究取得重要進展
發(fā)布日期：2017-10-24 供稿：材料學院 攝影：材料學院
編輯：趙汗青 審核：李樹奎 閱讀次數(shù)：
圖1 La1-xSrxTiO3+δ涂層晶格結(jié)構(gòu)中氧空位/Ti3+產(chǎn)生機制及其能帶結(jié)構(gòu)變化示意圖
北理工材料學院馬壯教授課題組在激光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(jīng)過關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，在國際知名學術(shù)期刊ACS Applied Materials & Interfaces (SCI一區(qū)、Top期刊，影響因子7.504) 在線發(fā)表了關(guān)于鈣鈦礦型陶瓷涂層材料在激光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)。
當前激光器正處于快速發(fā)展時期，隨著激光的廣泛使用，相關(guān)光學精密儀器及工程裝備的激光安全與防護備受國內(nèi)外關(guān)注。馬壯教授、王富恥教授、高麗紅副教授經(jīng)過長期攻關(guān)，自主設計并研制出新型高反射鈣鈦礦結(jié)構(gòu)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，具有良好的抗激光輻照應用前景，填補了國內(nèi)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(jié)構(gòu)，尤其經(jīng)摻雜后形成特殊的晶體缺陷結(jié)構(gòu)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，并在一些重大工程關(guān)鍵環(huán)節(jié)表現(xiàn)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激光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激光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(zhàn)。
馬壯教授課題組與國內(nèi)外領域內(nèi)權(quán)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激光輻照實驗，并在該領域引入多物理場輻照效應數(shù)值模擬方法，探究了鈣鈦礦型鈦酸鹽陶瓷涂層的宏、微觀結(jié)構(gòu)及光學性能等在連續(xù)型激光作用下復雜的演變機制，揭示了激光作用過程中影響鈣鈦礦型陶瓷涂層光學性能變化的本質(zhì)原因(圖1)。基于傅里葉熱傳導理論，建立了多物理場三維近似耦合模型，自主編程實現(xiàn)了對陶瓷涂層與激光相互作用過程中溫度場及溫度梯度計算，突破制約實時反射率變化精準推演(圖2)的國內(nèi)外關(guān)鍵技術(shù)難題。研究表明，鈣鈦礦涂層材料中氧空位缺陷濃度及Ti3+的含量是影響其激光防護效果的關(guān)鍵因素，同時優(yōu)異的反射性、熱擴散性能也將顯著提高涂層材料的激光安全和防護性能。發(fā)現(xiàn)該材料反射率隨溫度可呈現(xiàn)大幅變化，具有激光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(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。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激光防護能力，探索新型防護機制提供了有價值的新思路，并對進一步加快激光安全與防護領域中新材料的研發(fā)及推動其在相關(guān)裝備中的應用具有重要意義。
圖2 連續(xù)型激光作用下的La1-xSrxTiO3+δ涂層表面(a)溫度梯度變化 (b)反射率變化
馬壯教授課題組長期致力于激光安全與防護領域的應用基礎研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，率先開展了等離子噴涂激光防護涂層材料研究，研究團隊經(jīng)過不斷努力，對激光與涂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(fā)展輕質(zhì)高效激光安全與防護材料體系和結(jié)構(gòu)奠定了重要基礎，同時針對工程應用中特種裝備快速發(fā)展需求，相繼研發(fā)了高反射涂層、熱傳導各向異性散熱涂層、低熱導高熱膨脹隔熱涂層、多效應協(xié)同等多種防護涂層材料體系和結(jié)構(gòu)，保障了重點裝備研制。
該研究工作由多家國內(nèi)、國際權(quán)威高校、科研院所合作完成。主要合作者包括西北核技術(shù)研究所高銀軍博士、激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室王立君研究員、韋成華研究員、德國慕尼黑大學和馬普-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(chuàng)新基金資助。
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