Laser Ablation Behavior and Development Trend of Ceramic Matrix Composites

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1118

Abstract

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

CLC Number:

TB332

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.

Figures/Tables 9

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

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

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

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

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］

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

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］

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］

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

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