C/C复合材料的氧化对激光防护的影响研究

研究了不同风速下激光辐照C/C复合材料的氧化速率,利用温度场计算结果,结合氧气在空气中的传质速率,计算了激光辐照下C/C复合材料的氧化烧蚀速率及氧化放热的影响。数值计算结果表明,激光辐照期间,较低风速下氧化对烧蚀的贡献很小。作为激光防护材料,C/C复合材料激光辐照期间的氧化烧蚀可以忽略。     

1.06 μm 连续激光辐照过程中45 号钢反射率变化机理

为研究合金在连续激光辐照过程中反射率变化机理,建立了积分球反射率测量装置,测量了1.06 m 连续激光辐照过程中45 号钢反射率变化。实验结果表明,激光辐照过程中反射率先快速下降,然后产生周期波动。随着激光功率增大,反射率开始下降点和最小值点对应温度逐渐升高,极大值个数增多。建立了多层氧化膜影响模型,结合氧化膜生长规律,分析了不同结构、不同厚度变化规律氧化膜层的反射率特征,实验结果验证了理论模型的合理性。结果表明,反射率变化主要原因是氧化膜生长引起的多光束干涉与吸收效应。由FeO-Fe3O4-Fe2O3 组成的三层氧化膜中,中间吸收型Fe3O4膜是反射率变化的主要影响因素,最外层Fe2O3 膜引起的干涉效应影响反射率的稳定值,最内层FeO膜的贡献可以忽略。     

CO2激光辐照下光学薄膜的温度场与热畸变

介绍了光学薄膜温度场的基本理论,利用交替隐型技术,对10.6μm激光辐照下介质薄膜的温度场分布进行了数值模拟和理论分析。在此基础上,利用夏克-哈特曼波前传感器对介质基底样品、不同厚度的介质单层膜样品以及不同膜系的YbF3/ZnSe介质多层膜样品在10.6μmCO2激光辐照下的热畸变进行了实验研究。研究结果表明,激光辐照下光学薄膜样品的温度场分布与辐照激光的光场分布、激光功率以及激光的辐照时间等因素有关。对于10.6μm激光而言,Ge最适宜做基底材料。     

激光辐照下光学薄膜元件温升的有限元分析

实验测量了波长1 064 nm,10 kHz高重复频率激光辐照下镀制Ta2O5/SiO2多层膜的 K9、石英玻璃、白宝石高反膜元件温升变化.有限元分析的结果与实验结果相一致.用ANSYS程序计算了不同基板、空气对流系数及基板尺寸对激光辐照中心点温度的影响.结果表明:白宝石基片的薄膜元件激光辐照点的温度最低,其次是石英,K9玻璃基片的薄膜元件激光辐照点温度最高.空气对流系数在大光斑或长时间辐照时对激光辐照点温度影响较大,在小光斑或短时间辐照时对激光辐照点温度影响甚微,可忽略不计.基板越厚,基板直径越大,激光辐照中心点温度越低,基板直径比厚度更能影响激光辐照中心点温度变化.     

基于有限元的脉冲激光辐照材料温度场研究

在激光超声检测过程中,为了合理加载脉冲激光的能量,以便获得幅值较大的超声波信号,同时避免脉冲激光造成材料的损伤,需要对脉冲激光辐照材料的温升进行数值计算。依据有限元理论,建立脉冲激光辐照材料的有限元模型,结合导热微分方程,将脉冲激光以热流密度的形式加载于材料表面,分析材料表层受激光辐照时的温度场,讨论有限元热分析时网格尺寸的选取对分析结果的影响。给出了材料表层受脉冲激光辐照时温度场的计算方法和网格尺寸的选择依据,并利用温度场的理论解析结果和应力场分析结果分别验证了温度场有限元计算方法的正确性和有效性。     

短脉冲激光辐照下光学膜层迎光剥落的理论模型

基于最大剪应力理论 ,建立了短脉冲激光辐照下光学膜层发生迎光剥落的理论模型 ,导出了膜层剥落的激光功率密度阈值条件和剥落区半径与激光及膜层参数的关系式。以时空都为Gauss分布的ns级脉冲激光辐照ZrO2 膜层为例进行了理论计算。该理论模型及其结果揭示出光学膜层的轴向快速热膨胀、膜层材料的热软化以及由膜层中的径向应力、环向应力和垂直剪应力导致的锥面型剪切滑移是脉冲激光辐照下膜层发生迎光剥落的主要原因。     

耦合系数对激光辐照金属材料温度场的影响

为研究耦合系数随温度变化对短脉冲激光辐照金属材料产生的温度场分布的影响,基于双温耦合理论,建立了短脉冲激光辐照金属材料金加热过程的有限元求解模型.在同时考虑脉冲激光的空间、时间分布和多参数同时随温度变化的情况下,计算得到了短脉冲激光辐照金属材料金激励产生的温度场瞬态分布,比较了耦合系数随温度变化和不随温度变化两种情况下...     

强激光辐照铝靶温度分布数值模拟及实验研究

采用喷砂、磨砂、镀金表面处理工艺得到了铝靶的激光能量耦合系数。从经典傅里叶热传导方程出发,建立了强激光辐照铝靶下铝靶温度场分布数值模拟理论模型。利用有限元软件,模拟计算了连续激光辐照下铝靶的温度场分布,给出了连续均匀光斑和高斯光斑辐照下,不同表面处理工艺的铝靶所对应的最大温升。开展了铝靶强激光辐照验证实验,利用热电偶实际测量得到了辐照激光光斑中心对应的铝靶背表面最大温升,该实验结果与计算结果吻合较好。对铝靶前表面的烧蚀形貌进行了分析,与理论计算的温度场分布情况相符合,验证了数值模拟的有效性。     

激光辐照光学窗口的温度场分析

为准确理解激光辐照窗口材料引起的物理效应,建立了材料表面与空气换热的三维热传导模型.利用积分变换方式进行计算,得到了温度场解析表达式.计算并仿真了三种常用光学窗口材料的温度场,理论分析了激光参数、材料参数对温度场的影响,并对比了绝热和换热条件下的温升差异.结果表明,增大辐射功率和减小光斑半径,有利于提高中心温度;材料温...     

激光辐照下金属圆板温升的数值模拟研究

根据实验测量得到的钢靶表面能量耦合系数随温度的变化规律,使用两种不同的数值计算方法计算了连续激光辐照下45#钢靶的温升过程。结果表明,在ANSYS有限元软件中可以使用生热率载荷来模拟材料表面能量耦合系数随温度变化的问题,实际应用中必须考虑能量耦合系数随温度的变化才能准确估计目标的温度场演化规律,本文的计算方法可以推广至三维情形。     

激光重熔和激光修饰对8%Y2O3-ZrO2热障涂层抗氧化性能的影响

实验对大气等离子喷涂方法制备的氧化钇部分稳定氧化锆(Yttria partially stabilized zirconium,YPSZ)热障涂层的表面进行激光重熔和激光修饰处理,着重考察了在两种不同激光能量条件下,YPSZ陶瓷表层的显微结构和热障涂层系统的高温氧化行为。结果显示,激光处理使得原本相对粗糙的表面变得光滑致密,陶瓷层裂纹数量减少:激光重熔的样品出现网状裂纹,并从表面纵深至陶瓷层底部;激光修饰一定程度上保持了初始样品的层状组织。在恒温氧化过程中,经过激光处理的样品热生长氧化层(Thermally Grown Oxide,TGO)变得连续而致密。循环氧化增重的结果表明,激光处理使得样品氧化增重减少,而其中激光修饰的样品表现出更佳的抗氧化性能。     

激光淬火能量转换系数的ANSYS分析

基于有限元分析软件ANSYS对激光表面淬火温度场进行模拟,并结合实验的数据,建立了材料表面能量转换系数的变化规律的数学模型。通过再次实验验证表明,可用于预测激光表面淬火后的硬化层深并具有极高的精确性,为研究精确控制工艺参数和相变硬化层深提供新的研究思路。     

大功率激光作用下小孔形成数值模拟

激光深熔焊以小孔效应为特征,小孔使得激光束流与被焊接材料之间的耦合效率大大提高。小孔内的逆轫致吸收使得激光能量逐步衰减。另一方面,小孔内等离子体向熔池传热,起到焊接内热源的作用。因此,利用建立组合体热源模型,选择旋转高斯热源和双椭球形体热源模拟激光能量的分布,结合SIMPLE算法,求解不可压缩流体的质量守恒、动量守恒和能量守恒方程,得到了大Péclet数下的小孔形态。模拟结果显示,控制容积法中的体热源传热方式不同于有限元法的表面热流密度分布方式。最后,将模拟结果和钛合金激光焊接的焊缝形状和尺寸进行了对比,说明所选择的体热源模型在激光深熔焊模拟中具有较好的适应性。     

激光脉宽和功率密度对烧蚀性能影响研究

微纳卫星的飞速发展对微推力器的性能提出了更高的的要求。激光推进微推力器因其比冲高、推力控制精确、能耗低等特点,为微纳卫星提供了一种性能优异的微推力器选择方案。文中在透射式烧蚀模式下,研究了半导体激光器的激光功率密度和脉宽对激光烧蚀性能的影响。结果表明,在工质厚度为200 μm的工况下,随着激光功率密度的增加,单脉冲冲量和比冲都逐渐增大,而冲量耦合系数和烧蚀效率都存在一个最优值。随着激光脉宽的增加,单脉冲冲量逐渐增加,比冲呈现出先增大后减小的趋势,在250 μs时,比冲达到最大值,约为221.8 s;冲量耦合系数和烧蚀效率都随着脉宽的增大而减小;脉宽超过一定的临界值时,会对激光烧蚀工质的靶坑产生不良影响,使得激光能量和工质严重浪费。激光参数的优化对于激光推进微推力器的工程化应用提供了参考。     

基于热烧蚀效应的激光清洗仿真模型研究(特邀)

为研究在基于热烧蚀效应的激光清洗中激光参数对清洗效果的影响,根据热烧蚀效应原理、傅里叶热传导方程以及能量守恒定理,使用有限元分析软件建立了热烧蚀动态能量守恒的二维激光清洗仿真模型。在该模型中使用了虚拟第三类边界条件,将薄层-基底系统中的激光烧蚀热功率密度与被烧蚀污渍层边界的法向移动速度进行关联,实现了污渍层烧蚀潜热消耗量与激光烧蚀能量之间的动态能量守恒,明确了质量损失与能量消耗的数学关系,使所建立的模型更加理论自恰和精确可靠。利用该模型理论分析了光斑吸收功率、光斑直径、扫描速度以及扫描能量密度对清洗效果的影响,结果表明：污渍平均残留厚度随光斑吸收功率和扫描能量密度增大而减小,且减小的速率会逐渐变慢,当激光功率过大时,基材会出现损伤;污渍平均残留厚度随光斑直径和扫描速度的增大而变大,但减小光斑直径和扫描速度会降低清洗效率。提出了根据污渍层物性参数与扫描能量密度的对应关系优化激光参数的方法,并对非平整表面污渍层进行了多次不间断扫描的仿真分析,得到了清洗效果随扫描次数的变化规律。该研究结果对激光清洗设备的方案设计、优化改进和使用选型具有一定的指导意义。     

激光热处理过程中热吸收系数理论预测的实验研究

该文提出一种利用数值模拟和简单热处理实验相结合来预测热吸收系数的方法，对碳钢，铝合金，镁合金在不同热处理条件下的热吸收系数进行预测，预测结果和热量计的测量结果显示很好的一致性。和传统的能量吸收系数的测量方法相比，避免了复杂的试件准备和仪器设备，该方法具有简单，可行，满足实际需要的特点。     

Effects of distance between wells on band structure and characteristics of InGaAs/InGaAsP strain-compensated multiple quantum well lasers

In terms of the multi-well energy representation technique, the effects of the distance between wells on the valence band structure and characteristics are analyzed for InGaAs/InGaAsP strain-compensated multiple quantum well lasers with zero net strain. The computed result shows that a coupling effect exists between the wells, causes an energy split, and affects the properties of the laser, such as the density of states, optical gain, differential gain, threshold wavelength, threshold carrier density and threshold current density. We find that when the distance between wells equals twice the thickness of the well, the effect of the distance between wells on the characteristics of the laser becomes weak. Therefore, for the practical design of lasers, it is reasonable to take the thickness of the barrier to be twice that of the well.     

宽带激光熔覆铁基合金显微组织与工艺参数的关系

利用金相检测法计算了单位质量熔覆材料的比能和单位时间实际输人比能.结果表明在扫描速度-定的条件下,单位质量熔覆材料的比能随送粉速率的增大而减小,这种现象随扫描速度的增大而更加显著;在送粉速率恒定的条件下,单位时间实际输入比能随扫描速度的增大而减小,这种现象随送粉速率的增大而更加显著;成功地解释了熔覆层显微组织、陶瓷相WC分布规律与工艺参数之间的关系.