具有多孔黏结层结构的纳米陶瓷涂层制备工艺及其激光热冲击损伤机理研究

This project applies to develop a high-performance and multi-function laser protective coating which combines micro porous adhesive layer and nano-ceramic coatings together through redesigning traditional high-temperature protective coating. The coating will have an excellent binding capacity while maintaining good resistance to laser ablation and absorbing properties. This project will prepare nano barium titanate ceramic coatings which have micro porous structure by using laser cladding technique. Adhesive layer will have a low coefficient of thermal expansion due to hole effect，which will help to reduce the interfacial thermal stress caused by different thermal parameters of ceramic layer and substrate. The binding force of nano-ceramic coating will be enhanced by the rivet bond between the ceramic and metal formed by the holes in porous metal while packaging. For the action principle of laser ablation in material destruction, Monte Carlo method is adopted to study the shock wave pressure model of high energy laser and the energy transfer mechanism of nanometer material under laser ablation. Finally, laser thermal shock damage model of nano-ceramic coatings will be obtained, and the experimental investigation will be carried out, which will lay the foundation for the design and preparation of excellent comprehensive protective coating.

项目以研制高性能多功能纳米陶瓷涂层为目标，对传统的抗高温防护涂层进行重新设计，将微孔黏结层与纳米陶瓷涂层相结合，使涂层在拥有优异的结合能力的同时，具有较好的抗激光烧蚀及吸波性能。项目采用激光熔覆技术制备具有微孔结构黏结层的纳米钛酸钡陶瓷涂层，通过孔洞效应，可以使黏结层具有较低的热膨胀系数，降低陶瓷层与基体由于热物性参数不同所产生的界面热应力，并且在封装的同时，多孔金属表面的孔洞可以使陶瓷和金属之间进行很好的铆接，从而提高纳米陶瓷涂层的结合力。针对激光冲击破坏材料的作用原理，通过蒙特卡罗方法对高能激光冲击波的压力模型和纳米陶瓷涂层激光烧蚀作用下能量传递机理进行研究，得到纳米陶瓷涂层的激光热冲击损伤模型，并开展激光热冲击损伤试验的研究，为设计、制备性能优异的综合性防护涂层奠定基础。

1. 项目的背景.高能激光武器已经进入了快速发展的阶段。 激光武器的快速发展对各类导弹、飞行器的战场生存水平提出了更高的要求，如果不能针对激光武器采取必要的防护和对抗措施，那么这些造价昂贵的武器在战场上可能在瞬间就被摧毁。 相对比高能激光武器的快速发展，激光防护的研究进展严重滞后。各个国家的研究主要还停留在概念研究阶段，例如对目标武器进行壳体加固，最为普遍的做法就是施加涂层。但是研究大都只考虑了如何使目标武器耐高温，而忽略了施加的涂层可能使目标武器的隐身能力变差，更加容易被目标雷达锁定。.2. 主要研究内容、重要成果、关键数据.（1）蒙特卡罗模拟陶瓷晶粒长大.温度为1000℃时，晶粒生长（500MCS）条件下，激光照射条件下，晶粒生长较慢。可能的原因是1000～2000℃的温度差异显著，没有提供足够的生长时间。在等温条件下晶粒长大是正常的，最终晶粒尺寸最大。这种观察的根本原因可能是温度分布。换句话说，温度分布影响晶粒生长指数和晶粒生长趋势。.（2）涂层制备.采用激光熔覆方法制备具有微孔黏结层的陶瓷涂层，结构表面：具有微孔黏结层的陶瓷涂层T1试样的测试结果在70～83MPa之间，平均结合强度为75MPa，较激光熔覆等离子喷涂陶瓷涂层的结合力提高了21%；而T2试样的测试结果在65～75MPa之间，平均结合强度为69MPa，较T1试样的结合强度略有下降，但相比较激光熔覆等离子喷涂陶瓷涂层的结合力提高了17%。.（3）抗激光损伤机理研究.较其他陶瓷材料相比，BaO热膨胀系数较小，研究表明：在吸收层上侧的辐照区的热膨胀大于膨胀下侧。但是，由于热膨胀系数很小及微孔的作用下，激光辐照过程不能引起很大的应力。随着加热区域的温度升高，弹性变形增加，应力状态也增加。.3. 科学意义.本项目提出了一种新型结构的抗激光辐照陶瓷涂层，利用具有微孔结构的黏结层代替传统的黏结层，自身低的热膨胀系数从而能有效的缓解涂大大提升了陶瓷涂层与基体的结合强度；同时， 应用激光熔覆技术制备纳米陶瓷涂层，提升涂层的抗高温性能和隐身性能，使目标具有更高的战场存活能力。