山东理工大学团队在《Applied Surface Science》发表新型激光防护涂层研究

作者及机构
本研究的通讯作者为山东理工大学机械工程学院的马霞（Xia Ma）和赵永峰（Yongfeng Zhao），第一作者为罗子涵（Zihan Luo）。合作者包括王洪奇、程宝琪、李国腾等来自同一机构的研究人员。论文《Ablation behavior and mechanism of Al3BC/Al composite coating irradiated by high energy laser》发表于《Applied Surface Science》期刊2025年第697卷。

学术背景
激光技术在军事领域的核心应用之一是作为激光武器的能量载体，因此激光防护材料的研究至关重要。当前激光防护涂层主要分为反射型（reflective protection）、烧蚀型（ablative protection）和复合型（composite protection）。然而，传统铝（Al）涂层因熔点低，在连续激光照射下易失效。本研究提出一种新型复合涂层材料——Al3BC/Al（铝三硼碳/铝），其结合了Al的高反射率和Al3BC的优异热稳定性。Al3BC是一种窄带隙（0.482 eV）陶瓷材料，理论上具有高激光反射率，且高温下结构稳定（1073–1573 K）。本研究旨在通过高速空气燃料喷涂（HVAF）技术制备Al3BC/Al复合涂层，揭示其在高能激光辐照下的烧蚀行为与机制。

研究流程
1. Al3BC/Al复合粉末制备
- 原料：铝粉（纯度≥99%，粒径≤5 μm）、石墨粉（纯度≥99.85%）、硼质粒粉（纯度≈99%，粒径≈1 μm）。
- 球磨与烧结：按比例（Al:硼:石墨=96.7:2:1.3）混合后，在氩气保护下以360 r/min球磨0.5小时，随后在800℃烧结1小时，原位合成亚微米级Al3BC颗粒。

1. HVAF喷涂制备涂层

   • 正交实验设计：采用三因素三水平L9(3³)正交实验，考察喷涂距离（150–250 mm）、喷枪速度（500–1500 mm/s）和送粉速率（4–6 r/min）对涂层质量的影响。
     
   • 评价指标：表面粗糙度（激光共聚焦显微镜）、孔隙率（Image-Pro Plus软件分析）、激光反射率（紫外-可见分光光度计，1080 nm波长）。
     
   • 最优参数：喷涂距离250 mm、喷枪速度1000 mm/s、送粉速率6 r/min（对应正交实验第6组），涂层反射率达36.85%，孔隙率低于2%。
     

2. 激光烧蚀实验

   • 条件：采用1080 nm光纤激光（功率密度1500 W/cm²），辐照时间5 s、10 s、15 s，对比纯Al涂层与15 wt% Al3BC/Al涂层的抗烧蚀性能。
     
   • 表征方法：X射线衍射（XRD）分析相组成，扫描电镜（SEM）观察微观形貌，能谱分析（EDS）确定元素分布。
     

主要结果
1. 涂层性能优化
- 正交实验表明，喷涂距离对反射率影响最大（极差R=3.54），最优参数下涂层孔隙率低（1.2%）、表面粗糙度小（Ra≈3.2 μm）。
- SEM显示Al3BC颗粒均匀分散于Al基体中（图8），涂层厚度130 μm，与基体结合良好。

1. 激光烧蚀行为

   • 纯Al涂层：5秒内完全失效，中心区域熔融蒸发（图9b）。
     
   • Al3BC/Al涂层：耐受时间延长至10秒（图9g），失效机制分三阶段：
     
     • 边缘区：轻微氧化，Al3BC颗粒保持原始形貌（图11c）。
       
     • 热影响区：Al基体熔化，形成凸起褶皱（图12b），Al3BC颗粒聚集但未分解。
       
     • 中心区：10秒后Al3BC分解为Al4C3和AlB2（反应式1），伴随AlN晶须生成（图12d），15秒后AlN进一步氧化为Al2O3（图13a）。
       

2. 烧蚀机制

   • 协同防护：Al3BC的高热稳定性（初期）和吸热分解反应（后期）共同耗散激光能量（图15）。
     
   • 反射与热障效应：Al3BC窄带隙特性提升反射率，多孔结构降低热导率。
     

结论与价值
1. 科学价值：首次提出Al3BC/Al复合涂层的多机制协同防护理论，为激光防护材料设计提供新思路。
2. 应用价值：HVAF工艺优化的涂层可应用于高能激光武器防护，其抗烧蚀性能较纯Al涂层提升100%。
3. 创新点：
- 材料创新：原位合成亚微米Al3BC颗粒，解决传统喷涂中增强相分布不均问题。
- 工艺创新：通过正交实验确定HVAF最优参数，实现低孔隙率（%）、高反射率（36.85%）涂层。
- 机制创新：揭示Al3BC“热稳定-吸热分解”的双阶段防护机制。

亮点
1. 性能突破：Al3BC/Al涂层抗烧蚀时间（10 s）是纯Al涂层的2倍。
2. 方法学贡献：结合正交实验与多尺度表征（XRD/SEM/EDS），系统性优化涂层工艺。
3. 跨学科意义：融合材料科学（Al3BC合成）、热力学（吸热反应）与光学（反射率调控）多领域知识。

其他价值
研究数据可通过请求获取，团队后续将探索Al3BC含量梯度涂层以进一步提升性能。