陶瓷基复合材料的激光烧蚀行为及发展趋势

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1118

摘要/Abstract

摘要：

随着高能激光技术在军事和工业领域的广泛应用，陶瓷基复合材料的激光烧蚀行为与防护机制已成为前沿研究的热点。本文系统综述了陶瓷及陶瓷基复合材料在激光辐照下的烧蚀机理、动态响应行为及抗烧蚀防护策略。对激光与材料相互作用的基本物理过程进行阐述，包括光子-电子耦合、能量吸收与热传导机制，分析了激光功率、波长、脉冲模式等参数对烧蚀形貌与热影响区演化的影响。在此基础上，进一步总结了典型碳化物（如C/SiC、SiC_f/SiC）、氧化物（如Al₂O₃/Al₂O₃）和氮化物（如Si₃N₄、AlN）基复合材料在不同激光条件下的烧蚀行为，其中包括材料去除机制、氧化动力学、相变过程及微观结构演变等，并论述了超音速气流、环境气氛等外部因素对烧蚀过程的影响。在防护方面，系统论述了反射型、烧蚀型、隔热型及复合型防护涂层的设计理念、性能优势与研究进展，涵盖了高反射陶瓷改性、多层结构设计、高熵陶瓷及仿生梯度材料等新型防护体系的开发与应用潜力，为高性能抗激光烧蚀材料的研究与工程应用提供了理论依据与技术路径。

关键词: 陶瓷基复合材料, 高能激光武器, 激光烧蚀行为, 抗激光防护, 微观结构演化

Abstract:

With the extensive application of high-energy laser technology in military and industrial fields， the laser ablation behavior and protection mechanisms of ceramic matrix composites have become a hot topic in cutting-edge research. This paper systematically reviews the ablation mechanism， dynamic response behavior， and anti-ablation protection strategies of ceramics and ceramic matrix composites under laser irradiation. Firstly， the basic physical processes of laser-material interaction are elaborated， including photon-electron coupling， energy absorption， and heat conduction mechanisms， and the influences of parameters such as laser power， wavelength， and pulse mode on the ablation morphology and evolution of the heat-affected zone are analyzed. On this basis， the ablation behaviors of typical carbide （such as C/SiC， SiC_f/SiC）， oxide （such as Al₂O₃/Al₂O₃）， and nitride （such as Si₃N₄， AlN） matrix composites under different laser conditions are further summarized， including material removal mechanisms， oxidation kinetics， phase transformation processes， and microstructure evolution， and the influences of external factors such as supersonic gas flow and environmental atmosphere on the ablation process are discussed. In terms of protection， the design concepts， performance advantages， and research progress of reflective， ablation-resistant， thermal insulation， and composite protective coatings are systematically discussed， covering the development and application potential of new protective systems such as high-reflection ceramic modification， multi-layer structure design， high-entropy ceramics， and biomimetic gradient materials， providing theoretical basis and technical paths for the research and engineering application of high-performance laser ablation-resistant materials.

Key words: ceramic matrix composite, high-energy laser weapon, laser ablation behavior, anti-laser protection, microstructure evolution

中图分类号:

TB332

张蕴哲, 陈敏孙, 王洪磊, 周新贵, 余金山. 陶瓷基复合材料的激光烧蚀行为及发展趋势[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(5): 1727-1740.

ZHANG Yunzhe, CHEN Minsun, WANG Honglei, ZHOU Xingui, YU Jinshan. Laser Ablation Behavior and Development Trend of Ceramic Matrix Composites[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(5): 1727-1740.

图/表 9

图1 不同激光参数下SiCf/SiC复合材料的激光烧蚀原理［20］

Fig.1 Laser ablation principle of SiCf/SiC composites under different laser parameters［20］

图2 连续激光与脉冲激光照射途径示意图［20］

Fig.2 Schematic diagram of continuous laser and pulsed laser irradiation paths［20］

图3 激光烧蚀实验示意图［20］

Fig.3 Schematic diagram of laser ablation experiment［20］

图4 SiC陶瓷基复合材料在激光照射下的氧化机理和微观形貌示意图［33］

Fig.4 Schematic diagram of oxidation mechanism and microstructure of SiC ceramic matrix composites under laser irradiation［33］

图5 C/SiC复合材料在1 000 W/cm2功率下烧蚀20 s的表面形貌：（a）和（b）烧蚀表面上的三个烧蚀区域；（c）烧蚀中心的宏观形貌；（d）和（e）烧蚀中心的较大倍数形貌；（f）图（e）中标记区域的较大倍数形貌［31］

Fig.5 Ablated surface morphologies of C/SiC composite at 1 000 W/cm2 for 20 s：（a） and （b） three ablated regions on ablated surface；（c） macro morphologies of ablation center；（d） and （e） large magnification morphologies of ablation center；（f） large magnification of marked area in （e）［31］

图6 Al2O3/Al2O3复合材料激光烧蚀后的表面形貌［24］

Fig.6 Surface morphology of Al2O3/Al2O3 composite after laser ablation［24］

图7 Si3N4在空气中波长为1 064 nm，激光能量密度为4 J/cm2，脉冲次数分别为33、99、1 000次照射后的表面SEM照片［47］

Fig.7 Surface SEM images of Si3N4 after irradiation in air with a wavelength of 1 064 nm， laser energy density of 4 J/cm2， and pulse counts of 33， 99， 1 000 times［47］

图8 AlN在空气中波长为1 064 nm，激光能量密度为4 J/cm2，脉冲次数分别为33、99、1 000次照射后的表面SEM照片［47］

Fig.8 Surface SEM images of AlN after being irradiated in air with a wavelength of 1 064 nm， laser energy density of 4 J/cm2， and pulse counts of 33， 99， 1 000 times［47］

图9 热传递过程和温度场变化的示意图［64］

Fig.9 Schematic diagram of heat transfer process and temperature field variation［64］

参考文献 65

[1]	ARAI Y， INOUE R， GOTO K， et al. Carbon fiber reinforced ultra-high temperature ceramic matrix composites： a review［J］. Ceramics International， 2019， 45（12）： 14481-14489.
[2]	DONG Y， REN K， LU Y H， et al. High-entropy environmental barrier coating for the ceramic matrix composites［J］. Journal of the European Ceramic Society， 2019， 39（7）： 2574-2579.
[3]	ZHANG C， HU P， XUN L C， et al. A universal strategy towards the fabrication of ultra-high temperature ceramic matrix composites with outstanding mechanical properties and ablation resistance［J］. Composites Part B： Engineering， 2024， 280： 111485.
[4]	郭延龙，袁　源，常　伟，等. 美国陆基激光武器新进展［J］. 激光与红外， 2025， 55（8）： 1171-1177.
	GUO Y L， YUAN Y， CHANG W， et al. New development of American land-based laser weapons［J］. Laser & Infrared， 2025， 55（8）： 1171-1177 （in Chinese）.
[5]	WANG H J， YANG T. A review on laser drilling and cutting of silicon［J］. Journal of the European Ceramic Society， 2021， 41（10）： 4997-5015.
[6]	BIFFI C A， FIOCCHI J， TUISSI A. Relevant aspects of laser cutting of NiTi shape memory alloys［J］. Journal of Materials Research and Technology， 2022， 19： 472-506.
[7]	WU Q L， LONG W M， ZHANG L， et al. A review on ceramic coatings prepared by laser cladding technology［J］. Optics & Laser Technology， 2024， 176： 110993.
[8]	TANG Z Q， LI Y F， WANG G， et al. Research advances of femtosecond laser drilling microholes in hard and brittle materials［J］. Optics & Laser Technology， 2025， 185： 112572.
[9]	李　伟，余志锋，邓晓智. 美国激光武器发展建设研究［J］. 激光与红外， 2023， 53（11）： 1637-1643.
	LI W， YU Z F， DENG X Z. Research on the development and construction of laser weapons in the United States［J］. Laser & Infrared， 2023， 53（11）： 1637-1643 （in Chinese）.
[10]	刘　伟，张　琳，王代强，等. 激光武器反无人机集群作战运用及关键技术［J］. 航空学报， 2024， 45（12）： 244-258.
	LIU W， ZHANG L， WANG D Q， et al. Application and key technologies of laser weapons in anti-UAV swarm operations［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（12）： 244-258 （in Chinese）.
[11]	PERRAM G P， MARCINIAK M A， GODA M. High-energy laser weapons： technology overview［M］. Orlando， FL， United States： Laser Technologies for Defense and Security， 2004.
[12]	ALLHEILY V， MERLAT L， LACROIX F， et al. The behavior of translucent composite laminates under highly energetic laser irradiations［J］. Physics Procedia， 2016， 83： 1044-1054.
[13]	CHENG S， GENG L， LIU X C， et al. Laser ablation behavior and mechanism of C/SiC coated with ZrB₂-MoSi₂-SiC/Mo prepared by HVOF［J］. Ceramics International， 2020， 46（11）： 17752-17762.
[14]	ZHAI Z Y， ZHANG Y C， CUI Y H， et al. Investigations on the ablation behavior of C/SiC under femtosecond laser［J］. Optik， 2020， 224： 165719.
[15]	汤文辉，郭少峰，秦石桥. 强激光对材料的热-力学破坏效应［J］. 强度与环境， 1998， 25（3）： 41-47.
	TANG W H， GUO S F， QIN S Q. Thermal-mechanical damage of material under intense laser［J］. Structure & Environment Engineering， 1998， 25（3）： 41-47 （in Chinese）.
[16]	王向晖，杨树谦，袁健全. 激光武器及飞航导弹的防护技术［J］. 航天电子对抗， 2006， 22（5）： 8-12.
	WANG X H， YANG S Q， YUAN J Q. Laser weapon and defense techniques of winged missile［J］. Aerospace Electronic Warfare， 2006， 22（5）： 8-12 （in Chinese）.
[17]	张兴卫，熊　信，金云声. 纳秒脉冲激光烧蚀铝靶引起的冲击波特性研究［J］. 应用激光， 2014， 34（1）： 36-40.
	ZHANG X W， XIONG X， JIN Y S. Investigations on shock wave of Al target induced by nano-second laser ablation［J］. Applied Laser， 2014， 34（1）： 36-40 （in Chinese）.
[18]	孙铭远，张昊春，曲博岩，等. 激光辐照下卫星筒体部分多物理建模及毁伤效应分析［J］. 应用光学， 2021， 42（3）： 542-549.
	SUN M Y， ZHANG H C， QU B Y， et al. Multi-physical modeling and damage effect analysis of satellite cylinders under laser irradiation［J］. Journal of Applied Optics， 2021， 42（3）： 542-549 （in Chinese）.
[19]	QI H M， WANG J S， XU Z W， et al. First-principles study of electron dynamics of MoS₂ under femtosecond laser irradiation from deep ultraviolet to near-infrared wavelengths［J］. The Journal of Chemical Physics， 2024， 161（22）： 224709.
[20]	CHEN J， AN Q L， MING W W， et al. Investigations on continuous-wave laser and pulsed laser induced controllable ablation of SiC_f/SiC composites［J］. Journal of the European Ceramic Society， 2021， 41（12）： 5835-5849.
[21]	TONG Y G， BAI S X， HU Y L， et al. Laser ablation resistance and mechanism of Si-Zr alloyed melt infiltrated C/C-SiC composite［J］. Ceramics International， 2018， 44（4）： 3692-3698.
[22]	LUAN X G， YUAN J， WANG J Q， et al. Laser ablation behavior of C_f/SiH_fBCN ceramic matrix composites［J］. Journal of the European Ceramic Society， 2016， 36（15）： 3761-3768.
[23]	UHLMANN E， SPUR G， HOCHENG H， et al. The extent of laser-induced thermal damage of UD and crossply composite laminates［J］. International Journal of Machine Tools and Manufacture， 1999， 39（4）： 639-650.
[24]	SHEN P F， ZHUANG Y P， JIANG S D， et al. Experimental and numerical investigation on the ablation mechanism of Al₂O₃/Al₂O₃-CMCs under continuous-wave laser irradiation［J］. Journal of the European Ceramic Society， 2022， 42（5）： 2307-2318.
[25]	PENG G L， ZHANG X H， WANG Y H， et al. Effect of laser parameters on C/SiC composites material ablation heat［J］. Chinese Journal of Lasers， 2013， 40（11）： 1103010.
[26]	KIBLER K G， CARTER H G， EISENMANN J R. Response of graphite composites to laser radiation［M］. Texas， United States： Defense Documentation Center， 1977.
[27]	赵文娟. 大气气溶胶对激光的衰减特性研究［D］. 西安：西安电子科技大学， 2014.
	ZHAO W J. Study on attenuation characteristics of atmospheric aerosol to laser［D］. Xi’an： Xidian University， 2014 （in Chinese）.
[28]	宋乃秋，张昊春，王　丽，等. 高能激光武器毁伤威力仿真建模［J］. 兵工学报， 2016， 37（）： 146-151.
	SONG N Q， ZHANG H C， WANG L， et al. Simulation modeling of damage power for high-energy laser weapons ［J］. Acta Armamentarii， 2016， 37（supplement 1）： 146-151 （in Chinese）.
[29]	姜　楠，李晓英，牛春晖，等. 大气湍流对激光空间传输特性影响的实验研究［J］. 激光技术， 2022， 46（5）： 708-712.
	JIANG N， LI X Y， NIU C H， et al. Experimental study on the influence of atmospheric turbulence on laser spatial transmission characteristics［J］. Laser Technology， 2022， 46（5）： 708-712 （in Chinese）.
[30]	XUE J Y， CAO Y H， WU Z S， et al. Multiple scattering and modeling of laser in fog［J］. Chinese Physics B， 2021， 30（6）： 064206.
[31]	TONG Y G， BAI S X， ZHANG H， et al. Laser ablation behavior and mechanism of C/SiC composite［J］. Ceramics International， 2013， 39（6）： 6813-6820.
[32]	WANG J T， MA Y Z， LIU Y W， et al. Experimental investigation on laser ablation of C/SiC composites subjected to supersonic airflow［J］. Optics Laser Technology， 2019， 113： 399-406.
[33]	WEI J Y， ZHOU N， GAO M X， et al. Laser ablation of SiC/SiC ceramic matrix composites： morphological characterization， component evolution and oxidation mechanisms［J］. Corrosion Science， 2024， 227： 111762.
[34]	RAJ R， TERAUDS K. Bubble nucleation during oxidation of SiC［J］. Journal of the American Ceramic Society， 2015， 98（8）： 2579-2586.
[35]	CHATILLON C， TEYSSANDIER F. Thermodynamic assessment of the different steps observed during SiC oxidation［J］. Journal of the European Ceramic Society， 2022， 42（4）： 1175-1196.
[36]	GAO L， LIU C， LIU J J. Multi-pulse femtosecond laser ablation of SiC/SiC composites： morphological evolution， oxidation mechanisms and component characterization［J］. Journal of Manufacturing Processes， 2024， 124： 316-333.
[37]	ZHANG C， LI H， CHEN J， et al. Microstructure evolution and ablation mechanism of SiC_f/SiC ceramic matrix composite microgrooves processed by pico-second laser［J］. Ceramics International， 2023， 49（23）： 37356-37365.
[38]	ZENG J H， ZHANG Q L， ZHAO J， et al. The formed surface characteristics of SiC_f/SiC composite in the nanosecond pulsed laser ablation［J］. Ceramics International， 2022， 48（24）： 36860-36870.
[39]	ZHANG J Q， YUAN S M， WEI J Y， et al. Spatio-temporal multi-scale observation of the evolution mechanism during millisecond laser ablation of SiC_f/SiC［J］. Ceramics International， 2022， 48（16）： 23885-23896.
[40]	YANG Y， JIANG M， CHEN X T， et al. Study on ablation behavior and mechanism of C/SiC composite irradiated by a laser with various parameters［J］. International Journal of Applied Ceramic Technology， 2023， 20（6）： 3491-3499.
[41]	WANG J R， XIE W H， YAN H， et al. Study on multi-scale ablation behavior of C/SiC composites under high-energy CW laser irradiation［J］. Journal of the European Ceramic Society， 2024， 44（7）： 4524-4535.
[42]	CHENG C F， TSUI Y C， CLYNE T W. Application of a three-dimensional heat flow model to treat laser drilling of carbon fibre composites［J］. Acta Materialia， 1998， 46（12）： 4273-4285.
[43]	TONG Y G， HU Y L， LIANG X B， et al. Carbon fiber reinforced ZrC based ultra-high temperature ceramic matrix composite subjected to laser ablation： ablation resistance， microstructure and damage mechanism［J］. Ceramics International， 2020， 46（10）： 14408-14415.
[44]	LIU S， TIAN Z J， SHEN L D， et al. Laser damage resistance of plasma-sprayed alumina and honeycomb skeleton/alumina composite ceramic coatings［J］. Ceramics International， 2022， 48（6）： 7885-7896.
[45]	JIA X S， LUO J L， GUO C， et al. High-energy continuous wave laser ablation of alumina ceramic［J］. Journal of Materials Research and Technology， 2023， 27： 5389-5403.
[46]	YU X T， JIANG L P， LUAN Q， et al. Investigation of mechanism and surface morphology on the femtosecond laser ablation of silicon nitride under different auxiliary processing environments［J］. Ceramics International， 2023， 49（9）： 13425-13434.
[47]	NEDYALKOV N， DIKOVSKA A， ATANASOV P， et al. Ablation and surface structuring of nitride ceramics induced by picosecond laser pulses［J］. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B： Beam Interactions with Materials and Atoms， 2023， 543： 165092.
[48]	YANG Y， MA Z， ROGACHEV A A， et al. Study on the laser ablation behavior of nitride coatings on carbon fiber epoxy resin composite［J］. Journal of Materials Science， 2024， 59（1）： 95-104.
[49]	冯守志，圣冬冬. 航天器激光防护材料研究现状与发展趋势［J］. 上海航天， 2014， 31（3）： 34-38.
	FENG S Z， SHENG D D. Research and development of laser protective materials of spacecraft［J］. Aerospace Shanghai， 2014， 31（3）： 34-38 （in Chinese）.
[50]	程　立，童忠诚，柳旺季. 国外激光武器的发展现状与趋势［J］. 舰船电子对抗， 2019， 42（2）： 56-58+83.
	CHENG L， TONG Z C， LIU W J. Present status and tendency of foreign laser weapon［J］. Shipboard Electronic Countermeasure， 2019， 42（2）： 56-58+83 （in Chinese）.
[51]	高　鹏，田　伟. 反激光武器技术探索［J］. 光电技术应用， 2020， 35（5）： 29-33+53.
	GAO P， TIAN W. Anti-laser weapons technology exploration［J］. Electro-Optic Technology Application， 2020， 35（5）： 29-33+53 （in Chinese）.
[52]	高丽红，马壮. 智能响应高能激光防护材料研究［C］//第十一届全国腐蚀与防护大会论文集. 沈阳：中国腐蚀与防护学会， 2021.
	GAO L H， MA Z. Research on intelligent responsive high-energy laser protective materials［C］//Proceedings of the 11th National Conference on Corrosion and Protection. Shenyang： Chinese Society for Corrosion and Protection， 2021 （in Chinese）.
[53]	张其土，许仲梓，付振晓，等. 激光防护材料的研究与应用［J］. 南京化工大学学报（自然科学版）， 2001， 23（3）： 82-86.
	ZHANG Q T， XU Z Z， FU Z X， et al. Study and application of laser protective materials［J］. Journal of Nanjing University， 2001， 23（3）： 82-86 （in Chinese）.
[54]	郑佳艺，马　壮，高丽红. 智能化高能激光防护材料新进展［J］. 现代技术陶瓷， 2020， 41（3）： 121-133.
	ZHENG J Y， MA Z， GAO L H. Development of intelligent anti-high power laser materials［J］. Advanced Ceramics， 2020， 41（3）： 121-133 （in Chinese）.
[55]	付华，张光磊，李洪义. 材料性能学［M］. 3版. 北京：北京大学出版社， 2024.
	FU H， ZHANG G L， LI H Y. Cai liao xing neng xue［M］. 3rd ed. Beijing： Peking University Press， 2024 （in Chinese）.
[56]	刘维良，吴坚强，陈云霞，等. 臭氧发生器用Al₂O₃陶瓷基板材料的改性研究［J］. 陶瓷学报， 2001， 22（2）： 73-77.
	LIU W L， WU J Q， CHEN Y X， et al. Study on the Al₂O₃ ceramic plate material modifier for ozonizer［J］. Journal of Ceramics， 2001， 22（2）： 73-77 （in Chinese）.
[57]	吴崇隽. 高反射率LED陶瓷基板制备及其COB封装光源光效的研究［J］. 中国陶瓷工业， 2019， 26（6）： 15-20.
	WU C J. Preparation of high reflectivity LED ceramic substrate and light efficiency of its COB packaging light source［J］. China Ceramic Industry， 2019， 26（6）： 15-20 （in Chinese）.
[58]	ZHENG J Y， WANG S， GAO L H， et al. Theoretical and experimental studies of Ba₂SmTaO₆ on crystal structure， electronic structure and optical properties［J］. Journal of Materials Chemistry C， 2018， 6（7）： 1806-1814.
[59]	李书文，吴凌峰，杨冠军，等. 高反射高隔热激光防护涂层制备及其防护性能［J］. 材料保护， 2024， 57（12）： 84-95.
	LI S W， WU L F， YANG G J， et al. Preparation and protective performance of high-reflection and high-thermal insulation laser protection coatings［J］. Materials Protection， 2024， 57（12）： 84-95 （in Chinese）.
[60]	陈　松，甄岳泽，马　壮，等. 石英纤维增强环氧树脂基复合材料的激光烧蚀行为［J］. 复合材料科学与工程， 2024（10）： 11-16+39.
	CHEN S， ZHEN Y Z， MA Z， et al. Laser ablation behavior of quartz fiber reinforced epoxy resin matrix composites［J］. Composites Science and Engineering， 2024（10）： 11-16+39 （in Chinese）.
[61]	李明哲，马　壮，高丽红. 聚氨酯基防护材料的制备与辐照效应分析［J］. 电镀与涂饰， 2023， 42（16）： 1-7.
	LI M Z， MA Z， GAO L H. Preparation and irradiation effect analysis of polyurethane-based protective material［J］. Electroplating & Finishing， 2023， 42（16）： 1-7 （in Chinese）.
[62]	YANG M M， WANG T， WU M. Ablation behavior of SiC whisker and ZrB₂ particle-filled ZrO₂ sol-gel composite coating under high-intensity continuous laser irradiation［J］. Ceramics International， 2021， 47（18）： 26327-26334.
[63]	石　佳，魏亮亮，张宝鹏，等. 等离子物理气相沉积热障涂层研究进展［J］. 航空材料学报， 2018， 38（2）： 1-9.
	SHI J， WEI L L， ZHANG B P， et al. Research process in plasma spray physical vapor deposited thermal barrier coatings［J］. Journal of Aeronautical Materials， 2018， 38（2）： 1-9 （in Chinese）.
[64]	YANG C， HONG X T， QUE C X， et al. Multifunctional-layer composite coatings with synergistically enhanced laser protection performance［J］. Ceramics International， 2025， 51（22）： 37825-37833.
[65]	李雅娣，吴　平，马喜梅，等. 氧化锆涂层在激光防护中的应用研究［J］. 表面技术， 2008， 37（3）： 71-74.
	LI Y D， WU P， MA X M， et al. Study on application of zirconia coating in laser protection［J］. Surface Technology， 2008， 37（3）： 71-74 （in Chinese）.