碳纤维/环氧树脂层合板的激光烧蚀特性分析

为了研究碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的激光烧蚀温度场、退移速率,应用有限元软件ABAQUS的python语言进行二次开发,建立了辐照面动态变化的有限元烧蚀模型,并选用功率密度分别为1.528 kW/cm2及3.82 kW/cm2的高强度激光器对该复合材料进行了激光辐照试验。定量分析了不同功率激光辐照下,碳纤维/环氧树脂层合板的温度场分布以及辐照界面的退移速率。研究结果表明:有限元烧蚀模型能够有效地模拟层合板的烧蚀,随着激光功率密度变大,辐照面附近温度梯度及烧蚀界面退移速率变大,基体热解区域尺度变小,背壁温度梯度变化相对较小,随着辐照时间的增加,烧蚀界面退移速率趋于恒定。     

激光-载荷联合作用下天然乳胶烧蚀实验研究

为了摸清激光辐照橡胶类气象气球等空中目标的效应规律,为后续开展外场试验提供依据,本文进行了激光-载荷联合作用下天然乳胶材料烧蚀性能实验研究。采用1085 nm光纤固体激光器,对天然乳胶材料进行了激光辐照效应实验,研究了激光和载荷共同作用下材料的烧蚀性能,结果得到：材料主要发生热解、烧蚀穿孔和断裂破坏;在同等功率密度光斑辐照条件下,材料破坏时间随载荷增加先增加后减小;在同等加载条件下,材料破坏时间随辐照功率密度增加而减小。     

高功率连续激光辐照CFRP层合板热力破坏效应多尺度分析模型

建立了能够反映高功率连续激光辐照碳纤维增强复合材料(CFRP)层合板时材料发生烧蚀、热解与层间开裂等热力损伤效应的多尺度分析模型。从细观尺度分别建立了纤维和基体的热解动力学方程,通过热重分析获得热解动力学参数,进而得到CFRP层合板宏观的热物与力学性能参数。通过内聚力模型建立了激光辐照引起层间开裂的分析模型,提出并建立了热解和层间开裂效应阻碍能量传递的热阻模型。将多尺度模型获得的热-力学性能参数与热力耦合数值模型相结合,模拟了高功率连续激光引起的烧蚀、热解及层间开裂行为,模拟结果与实验结果吻合较好。     

不锈钢-碳钢层合板激光熔覆制备方法试验研究

针对不锈钢-碳钢层合板制备方法中结合面存在的缺陷问题,采用激光熔覆法制备金属层合板。调整激光功率和扫描速度两个主要工艺参数,研究其对层合板金相组织的影响。通过不锈钢-碳钢层合板金相组织分析以及拉伸试验研究,优化层合板激光熔覆工艺参数。结果表明:随着激光能量密度的增大,不锈钢-碳钢层合板界面波高依次呈0.01~0.03mm、0.08~0.10mm和0.11~0.14mm三种形态,且熔覆层厚度逐渐增加。随着界面波高的增大,屈服强度逐渐增大,当不锈钢-碳钢层合板界面金相组织形态呈波高为0.11~0.14 mm时,屈服强度为410 MPa。激光熔覆制备方法获得了不锈钢-碳钢冶金结合及组织性能均良好的层合板,屈服强度和延伸率均达到了不锈钢层合板的标准要求,表明此工艺方法是可行的,为激光熔覆制备层合板的广泛应用提供了理论和试验依据。     

高功率连续波CO2激光辐照加载铝板的研究

对受拉、受压和扭曲加载的LY12铝合金板被连续CO2激光辐照后的热力机械响应、应力状态、变形及破坏等进行了研究,同时研究了各种不同加载形式下的激光辐照破坏的工艺参数范围,分析了激光辐照破坏区的微观结构。研究表明,在激光辐照和机械加载的联合作用下,激光辐照烧斑区产生部分熔化和凹陷,在辐照区的边缘产生裂纹和皱折,最终导致破坏。另外,还具体分析了几种试件的破坏特征。     

激光熔覆不锈钢-碳钢层合板的材料性能

采用激光熔覆工艺将不锈钢粉末熔覆在碳钢板上,制备不锈钢-碳钢层合板。通过金属材料性能检测试验,对不锈钢-碳钢层合板的金相组织、元素扩散、显微硬度及拉伸断口形貌等性能进行分析。结果表明,激光熔覆制备层合板获得了致密均匀的覆层;结合面两侧Fe、Cr、Ni等元素呈梯度扩散,扩散区域约为12μm,表明激光熔覆复合材料为扩散型冶金结合;覆层到基体硬度逐渐减小,这使覆层与基体之间应力平稳过渡,提升了其整体力学性能;其屈服强度为405 MPa,超过轧制层合板的326 MPa。基体和扩散区断口形貌为韧性断裂,而覆层表现为脆性断裂,进一步表明激光熔覆层合板结合面结合性能良好。     

强激光作用下金属基复合材料的破坏效应

研究了铝基碳化硅纤维增强复合材料在连续波强激光辐照下的破坏效应。结果表明 ,高强纤维的存在提高了复合材料的抗激光破坏能力。强激光辐照使金属基复合材料产生的主要效应是基体的熔融、汽化和纤维与基体反应 ,这些效应是造成金属基复合材料强度大幅降级从而导致材料结构破坏的直接原因     

热解对碳纤维/环氧复合材料激光烧蚀的影响

为研究复合材料的热解问题,设计了氮气流保护条件下的低功率密度辐照实验,获得了不同辐照时间和不同功率密度下碳纤维环氧树脂复合材料层合板的热解规律。实验结果表明:试样质量损失随辐照时间持续呈单调增大趋势,但热烧蚀率却逐渐减小并有稳定趋势;试样质量损失与功率密度呈线性关系;激光功率密度的增加可提高热烧蚀率,但随功率密度的增加,试样热烧蚀率增幅减小并有饱和趋势。     

对“爱国者”导弹发动机激光破坏的计算分析

导弹主动段飞行时，固体发动机壳体受到燃气内压、发动机推力等载荷的作用，在此情况下，如又受到连续激光的辐照，在热－ 力联合作用下，发动机壳体有可能出现局部断裂，发生爆裂型破坏。文中以美“爱国者”导弹固体发动机为研究对象，对其燃烧时壳体受连续激光辐照的破坏效应进行了有限元计算，分析了改变激光光斑直径与激光功率密度对导弹固体发动机壳体破坏的影响。     

激光辐照CFRP下温度对铺层结构的敏感性研究

为了研究连续激光作用下层叠型碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CFRP)的铺层结构对材料温度的影响, 采用有限元软件COMSOL模拟连续激光辐照5种典型层叠型CFRP的烧蚀过程。通过材料表面的温度偏差, 获得了5种典型层叠型CFRP的温度分布和演化规律; 通过对材料整体温度分布进行统计分析, 获得了材料温度均匀性随激光辐照时间的变化规律。结果表明, 由单向层叠加而成的CFRP在材料表面光斑边缘附近温度对铺层结构最为敏感, 呈非单调变化; 在5种典型的结构中45°夹角铺层结构的CFRP整体温度分布最为均匀。此研究结果有助于进一步研究激光辐照下复合材料的热力学破坏。     

激光辐照光学材料热力效应的解析计算和损伤评估

光学元件的损伤是高功率激光技术发展的一个瓶颈，为此以连续CO2激光辐照K9玻璃为例，研究了连续激光辐照光学材料的热力损伤机理。通过积分变换方法，求解热传导和热弹性力学方程组，由此得到激光辐照引起的温度场和热应力场的瞬态分布。研究中发现在高斯光束作用下，热扩散长度的概念不再适用，因此通过曲线拟合方法，推导出最大热应力的位置与辐照时间的关系，并由此计算出材料的损伤阈值。由于K9玻璃的应力损伤阈值小于熔融损伤阈值，因此当激光作用引起的环向热应力大于材料的抗拉强度时，材料发生永久性损伤，损伤形态为拉伸解理。将理论模型的相关结论与实验结果相对比，两者吻合得很好。     

组合激光辐照单晶硅的热作用数值分析

利用有限元法对组合激光辐照单晶硅的温度及应力场进行了数值分析,在组合激光与连续激光平均功率密度相同的前提条件下比较了组合激光和连续激光分别作用于单晶硅的损伤效果。计算结果表明,组合激光与连续激光相比更有利于实现对单晶硅的热损伤;组合激光作用下单晶硅内部的Von Mises应力、轴向应力和环向应力比在连续激光作用下要大,组合激光对单晶硅的损伤比连续激光更强。     

单脉冲激光损伤CCD探测器的有限元仿真

为了研究激光对CCD探测器的损伤效应,采用有限元分析的方法进行了激光损伤CCD的理论分析和实验验证。阐述了激光辐照CCD探测器的损伤机理,设计了激光辐照CCD探测器热效应的仿真模型,针对波长为532nm的高功率激光辐照硅基CCD探测器而产生的热效应,利用有限元法进行了仿真计算,得到了CCD探测器受到532nm激光辐照时硅电极的温度曲线以及硅电极损伤时间阈值,并相应计算出损伤CCD探测器所需要的激光能量阈值为220mJ/cm2左右。结果表明,损伤阈值随着激光功率密度的增大而减小,但变化幅度不大;当多脉冲毫秒激光辐照CCD探测器,在一个脉冲结束、下一个脉冲到来之前,探测器温度恢复到环境温度。该模型可以较为准确地对单脉冲激光辐照CCD探测器时产生的热损伤效应进行模拟。     

脉冲CO2激光损伤K9玻璃的实验与仿真

对脉冲CO2激光损伤K9玻璃进行了实验与仿真研究.采用输出脉宽为10μs的脉冲CO2激光器对K9玻璃样品进行激光损伤实验,并且建立了脉冲CO2激光损伤K9玻璃的理论模型,利用有限元法对K9玻璃样品中的温度和应力分布进行数值分析.研究表明,K9玻璃的损伤阈值为6.533 J/cm2;入射激光能量密度越高,样品的损伤程度就越大,并且多脉冲对样品的损伤程度明显大于单脉冲;在激光能量较强的情况下,K9玻璃表面在光斑区域内形成熔融损伤和由压缩应力造成的应力损伤,在光斑区域外围则形成由环向拉伸应力造成的应力损伤,仿真分析结果与实验结果吻合良好.     

激光辐照PC型HgCdTe探测器热效应的计算

通过测量ＰＣ型ＨｇＣｄＴｅ探测器电阻与温度的关系及激光辐照下电阻随时间的变化，建立了热模型，计算了三种损伤机制下的激光损伤阈值。     

光强分布对激光辐照下柱壳热力学行为的影响

高功率激光对承力结构的破坏机理研究,可以拓展激光技术的应用范围。为了研究光束强度分布对激光辐照下柱壳热力学行为,采用有限元方法建立充压柱壳的热力学模型,先保持激光辐照总功率相等,将几种典型激光束进行分析比较,并研究了充压柱壳在各种光束辐照下的热力学响应。结果表明,光强分布对圆柱壳的温度、应力以及位移场分布具有重要影响,在不同光强分布的激光束辐照下圆柱壳将具有不同的破坏模式和破坏时刻。     

激光辐照对红外探测器的损伤

根据红外探测器的结构特点和传热学理论,研究激光干扰机的激光器对探测器的损伤效果。以InSb探测器为例,设定入射激光从顶层辐照,结合各层之间热传导效应建立分层热模型。考虑激光在空间上的分布为高斯分布,给定初值和边界条件,利用Matlab偏微分工具箱进行建模仿真。重点研究了辐照距离、辐照时间和激光器功率等因素对探测器损伤效果的影响,给出了相应的仿真结果。当连续激光功率为50 W、距离为200 m、辐照时间为3 s时,对探测器的损伤效果主要是软损伤,受激光功率密度所限,未能造成永久性破坏。     

激光辐射下光学玻璃应力破坏的阈值理论

基于热弹理论,建立了计算光学材料激光诱导破坏阈值的解析模型。特别研究了能量阈值与激光光斑大小以及光学材料力学边界条件的依赖关系。研究表明：在材料响应情形下,光斑效应体现在光斑能量向外的弥散,而在结构响应情形下。不同的边界条件导致不同的破坏阈值与光斑直径之间的函数关系。提出了一种最优边界,使激光诱导产生的拉应力场最小。     

组合激光对单晶硅热作用的数值分析

为了提高激光加工中单晶硅材料对激光能量的耦合效率,采用一个短脉冲激光和一个长脉冲激光形成组合激光辐照单晶硅,使用COMSOL软件对该过程进行模拟,得到了组合激光长短脉冲间的延迟时间和长脉冲激光能量密度的变化对作用效果的影响,并与总能量相等的毫秒激光单独作用的效果进行比较;实验测量得到的不同能量密度的激光作用单晶硅后损伤形貌,与数值计算结果的趋势吻合。结果表明,组合激光能提高材料对激光的耦合效率;不同的延迟时间会影响组合激光的作用效果,最佳延迟时间为0.1ms;组合激光中毫秒激光能量密度占比较低时,作用效能较明显,随着毫秒激光能量密度占比的提高,对作用效果的提升相对变缓。该研究结果可以为组合激光的应用提供理论和实验依据。