北理工材料學(xué)院激光安全與防護(hù)研究取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2017-10-24 供稿：材料學(xué)院 攝影：材料學(xué)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(jī)制及其能帶結(jié)構(gòu)變化示意圖
北理工材料學(xué)院馬壯教授課題組在激光安全與防護(hù)研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。近日，馬壯教授,、高麗紅副教授指導(dǎo)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(xué)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(hù)方面研究的重要進(jìn)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(dāng)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(xué)精密儀器及工程裝備的激光安全與防護(hù)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(shè)計(jì)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(dāng),，且熔點(diǎn)是金屬鋁的3倍，具有良好的抗激光輻照應(yīng)用前景,，填補(bǔ)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(dú)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(xué)等領(lǐng)域成為研究熱點(diǎn),，并在一些重大工程關(guān)鍵環(huán)節(jié)表現(xiàn)出一定的應(yīng)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(hù)領(lǐng)域中應(yīng)用的局限性及拓展新型鈣鈦礦材料在激光安全與防護(hù)工程領(lǐng)域中的有效應(yīng)用已成為當(dāng)前研究所面臨的新挑戰(zhàn),。
馬壯教授課題組與國內(nèi)外領(lǐng)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(shè)計(jì)了一系列激光輻照實(shí)驗(yàn)，并在該領(lǐng)域引入多物理場輻照效應(yīng)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(xué)性能等在連續(xù)型激光作用下復(fù)雜的演變機(jī)制，揭示了激光作用過程中影響鈣鈦礦型陶瓷涂層光學(xué)性能變化的本質(zhì)原因(圖1),?；诟道锶~熱傳導(dǎo)理論，建立了多物理場三維近似耦合模型,，自主編程實(shí)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(jì)算,，突破制約實(shí)時反射率變化精準(zhǔn)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(hù)效果的關(guān)鍵因素，同時優(yōu)異的反射性,、熱擴(kuò)散性能也將顯著提高涂層材料的激光安全和防護(hù)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(hù)與隱身多功能一體化的應(yīng)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(rèn)可，為全面提高新型鈣鈦礦材料的激光防護(hù)能力,，探索新型防護(hù)機(jī)制提供了有價值的新思路,，并對進(jìn)一步加快激光安全與防護(hù)領(lǐng)域中新材料的研發(fā)及推動其在相關(guān)裝備中的應(yīng)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(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)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(hù)涂層材料研究,，研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過不斷努力,，對激光與涂層材料相互作用耦合機(jī)制等基礎(chǔ)理論問題的認(rèn)識不斷深入，為發(fā)展輕質(zhì)高效激光安全與防護(hù)材料體系和結(jié)構(gòu)奠定了重要基礎(chǔ),，同時針對工程應(yīng)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(dǎo)各向異性散熱涂層,、低熱導(dǎo)高熱膨脹隔熱涂層,、多效應(yīng)協(xié)同等多種防護(hù)涂層材料體系和結(jié)構(gòu)，保障了重點(diǎn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王立君研究員、韋成華研究員,、德國慕尼黑大學(xué)和馬普-量子光學(xué)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(dǎo)師馬壯教授,，副導(dǎo)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(xué)基金(51302013) 和領(lǐng)域創(chuàng)新基金資助,。
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