Nd∶YAG连续激光烧蚀碳纤维复合材料的过程观测

通过Nd∶YAG激光辐照碳纤维/环氧树脂复合材料过程的高速摄像观测,得到了不同辐照功率密度下烧蚀过程中的主要现象。发现在低功率密度(50 W/cm2)下,主要是表面烧蚀机制,不会发生燃烧现象,在长时间辐照下,由于表层附近出现轻微的聚合物焦化分解,表面层出现粉末状和漂絮状的碳粉缓缓弥散空气中;在中等功率密度(300 W/cm2)下,体烧蚀机制占主要地位,内层分解气体喷出,在空气中点燃引起表面燃烧,主要燃烧表面聚合物;在高功率密度(4500 W/cm2)下是以表面烧蚀为主的质量迁移机制,在极短的时间(0.001 s)内表面层被破坏,瞬间燃烧,光斑中心出现喷射式的气化等离子体现象,并出现逐层烧蚀和各向异性热传导引起的烧蚀区形貌变形等现象。     

切向空气流速度对玻璃纤维增强树脂基复合材料激光烧蚀热的影响

烧蚀热可用于材料抗激光加固性能表征和材料的激光加工效率描述。实验研究了亚音速表面切向空气气流速度和激光功率密度对玻璃纤维/树脂复合材料烧蚀热的影响规律,结果表明,相同气流速度下,烧蚀热在100~500 W/cm2激光功率密度范围内先迅速降低然后趋于稳定,转折点约位于200 W/cm2;相同激光作用下,功率密度较低时,烧蚀热随着气流速度提升而变大,功率密度高于一定值(约200 W/cm2)后,烧蚀热随气流速度提升而降低。分析认为材料内部扩散、热解气体燃烧、残碳氧化放热、辐射能量损失、气流剥蚀等多个因素的竞争是激光能量利用效率变化的原因。     

低功率CO2激光辐照对多层石墨烯结构的影响

在真空环境下使用不同功率密度的CO2激光对化学气相沉积法(CVD)生长的石墨烯进行辐照,通过研究辐照前后的拉曼光谱变化考察了激光功率密度及辐照时间对多层石墨烯结构的影响。结果表明,当功率密度较低(13W/cm2)时,石墨烯拉曼光谱中的D峰降低,2D峰增强,石墨烯内的掺杂、缺陷减少。随着功率密度的增加,石墨烯的缺陷增多,部分缺陷连接形成晶界,使石墨烯分解为纳米晶。在58 W/cm2的功率密度下,当作用时间为120s时,在石墨烯表面产生非晶碳。研究表明,适当参数的CO2激光辐照能改善石墨烯的内在性能。     

激光功率密度对Ge烧蚀蒸气动力学特性的影响

建立了一维半导体Ge激光烧蚀模型,对不同功率密度的紫外激光烧蚀半导体Ge的过程进行了模拟,并对计算结果进行了分析,得到激光功率密度对烧蚀过程以及蒸气膨胀动力学特性的影响。结果表明,激光功率密度的变化对烧蚀过程影响非常大。照射的激光功率密度越大,靶的表面温度越高,蒸发深度、烧蚀蒸气温度和膨胀的速度、相应蒸气膨胀的空间尺度也越大,且等离子体屏蔽现象出现得越早。在给定的烧蚀条件下,等离子体屏蔽的阈值在1×108~1.5×108W/cm2之间。     

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。     

三结太阳电池栅线对激光辐照中的传热影响研究

为了研究三结太阳电池表面的栅线在1 070 nm连续激光辐照过程中的传热影响机制,文中通过激光辐照过程中三结太阳电池实时的电致发光现象分析三结太阳电池的损伤情况,并建立三维锗基太阳电池模型,借助有限元分析软件COMSOL对连续激光辐照锗基太阳电池的温度分布进行仿真。结果表明:在连续激光功率密度为72.5 W/cm2、辐照时间为41 s时,三结太阳电池的顶电池出现轻微损伤,损伤区域首先沿着栅线分布。在锗基太阳电池的仿真模型中,电池的温度升高至1 318 K,栅线引起了三结太阳电池热量传递方向的各项异性,沿着栅线具有更高的热传导速率。仿真结果能够对实验现象给予合理的解释。     

高功率激光辐照CFRP的温度场和应力场的数值分析

为了研究高功率激光致碳纤维/环氧树脂复合材料的热损伤规律,采用COMSOL软件对多层结构的碳纤维/环氧树脂复合材料的热应力进行模拟计算,取得了不同功率密度激光辐照复合材料的瞬态温度场与应力场的时空分布及变化规律。测量得到不同功率密度的激光作用碳纤维/环氧树脂后的损伤面积和损伤形貌,与数值模拟结果的趋势吻合。结果表明,靶材表面辐照中心点温度在872K时出现温度平台,即相变潜热期与逆相变潜热期,并随着激光功率密度变化;激光辐照靶材对上表面碳纤维产生了极大的轴向压应力,功率密度为293W/cm2时,压应力差值约为1.87MPa;功率密度为3453W/cm2时, 压应力差值约为1.42MPa。这一结果对高功率激光致碳纤维/环氧树脂复合材料的热损伤研究提供了理论基础。     

激光辐照玻璃纤维/环氧树脂复合材料的力学剥蚀研究

根据实验现象,提出了计算力学剥蚀的模型和判据,将剥蚀过程分解为材料分层和层内断裂两个过程:对分层过程利用激光辐照玻璃纤维/环氧树脂复合材料的热力学模型计算,对层内断裂过程用板壳模型计算。利用实验结果验证了模型的合理性,计算结果表明,力学剥蚀过程极大地降低了烧蚀穿孔所需的能量,对激光辐照效应影响很大;功率密度较低时,烧蚀效率较高。     

纳秒脉宽激光烧蚀典型金属推进性能实验研究

为研究不同金属材料的激光烧蚀推进性能,对常见的七种金属材料:Al,Fe,Ni,Cu,Y,Ag,Au,使用波长1064 nm,脉宽8ns的Nd:YAG激光器在大气下进行烧蚀,测量了烧蚀质量、冲量、冲量耦合系数、比冲和能量转化效率等推进性能参数,获得了激光功率密度对推进性能的影响规律.实验结果表明:相同激光功率密度下,Fe的烧蚀质量最大,Y的烧蚀质量最小;A1,Au,Cu的冲量较大,Ag的冲量最小;Au的冲量耦合系数和比冲均值在七种金属材料中最大,分别在激光功率密度为1.72×1010 W/cm2和2.98×1010 W/cm2时达到40.7 μN/W和500 s的最大值,平均能量转化效率可达6％.     

10.6μm激光辐照碲镉汞红外探测器热损伤研究

研究了Hg Cd Te红外探测器的结构以及材料特性,阐述了激光损伤Hg Cd Te红外探测器的机理,建立了Hg Cd Te红外探测器三维仿真模型,利用有限元分析法,对10.6μm CO2激光辐照Hg Cd Te探测器的温度变化情况进行了仿真,并通过参考已有文献的实验数据,验证了模型的准确性。当Hg Cd Te探测器受到峰值功率密度为5×107 W/cm2的单脉冲激光辐照时,Hg Cd Te晶体的Hg离子开始析出,探测器性能降低,并不可恢复;当激光峰值功率为108 W/cm2,探测器Hg Cd Te晶体开始出现熔融现象,此时激光能量密度为1 J/cm2;当激光峰值功率为2×108 W/cm2时,铟柱达到熔融温度,探测器会出现铟柱脱落现象,被彻底损坏。     

飞秒激光烧蚀高定向热解石墨的超快过程研究

脉冲激光烧蚀高定向热解石墨(HOPG)是制备富勒烯、碳纳米管等碳纳米材料的重要方法之一。研究和认识飞秒脉冲激光烧蚀高定向热解石墨的超快物理过程,可以为探索飞秒激光烧蚀制备各种碳纳米材料提供重要的实验和理论基础。利用抽运-探测技术记录了0.33～20J/cm2不同激光能流下50fs激光脉冲烧蚀高定向热解石墨在0～9ns时间窗口内的超快动态过程,并且比较分析了烧蚀高定向热解石墨和烧蚀铝靶的差别。实验发现,随着入射到高定向热解石墨表面的激光能流从20J/cm2下降到0.33J/cm2,光热机制导致的物质去除逐渐减少,光机械机制的应力释放导致的大颗粒物质喷射逐渐成为主要的物质去除过程。分析表明,靶材的吸收系数是导致高定向热解石墨和铝靶烧蚀动态过程不同的主要因素。     

基于157nm深紫外激光的蓝宝石基片微加工

为了探索157nm深紫外激光对蓝宝石材料的微加工技术,采用157nm激光微加工系统,对蓝宝石基片进行了扫描刻蚀和打孔加工,以研究激光工艺参量与刻蚀深度、表面形貌的关系,分析了157nm深紫外激光对蓝宝石材料的作用机理,并利用扫描刻蚀法在蓝宝石基片上加工了一个2维图形。由实验结果可知,157nm深紫外激光作用于蓝宝石材料是一个光化学作用与光热作用并存的加工过程,适合扫描刻蚀的加工参量为能量密度3.2J/cm2,重复频率10Hz～20Hz,扫描速率0.15mm/min;在能量密度2.5J/cm2下的刻蚀率为0.039μm/pulse。结果表明,通过对激光重复频率和扫描速度的控制可实现蓝宝石材料的精细微加工。     

长脉宽激光切割聚晶立方氮化硼工艺研究

为了获得聚晶立方氮化硼（PCBN）最优的激光切割质量和切割效率,依据烧蚀直径和入射激光脉冲能量的函数关系,得出PCBN烧蚀阈值为1.796J/cm2。采用Nd:YAG激光器对型号为BN250的PCBN进行切割试验,分析了切割速率、激光功率以及脉冲频率对切割质量的影响规律。通过切缝的显微观测对比,总结出不同激光工艺参量下PCBN缝宽的变化趋势。结果表明,对于脉宽为100μs的激光,当激光功率为28W、脉冲频率为60Hz、切割速率为20mm/min时,能够获得PCBN激光切割的最优切缝和较高的切割效率。该工艺方法和数据的建立,对今后PCBN或其它超硬材料的激光加工有着重要参考价值。     

DF激光作用下氟玻璃破坏阈值的测量及机理

实验测量了氟铝酸盐玻璃对3．8μm激光的透射率以及在高功率连续DF激光作用下的破坏阈值，根据实验结果，应用耦合热弹性理论和大型有限元程序，模拟了氟玻璃窗口在矩形光斑作用下的温度响应和力学响应，分析了氟玻璃破坏的机理，由此推断靶材断裂的危险点，并和实验情况相比较，最后，对氟玻璃材料作为高功率激光器输出窗口的可行性作出评价。     

复合材料激光辐照过程中的吸收特性分析

为了研究激光辐照过程中芳纶纤维/环氧和碳纤维/环氧两种复合材料吸收特性的变化情况,采用双积分球-光电管测试系统和对实验回收样品进行微观分析的方法,得到了两种复合材料在1.19μm连续激光辐照过程中吸收率的变化结果.在烧蚀前,材料的吸收率随激光功率增大而缓慢减小,芳纶纤维/环氧材料从0.6减小到0.55,碳纤维/环氧材料从0.85减小到0.8;当材料发生烧蚀时,芳纶纤维/环氧材料的吸收率迅速增大,而碳纤维/环氧材料的吸收率无明显变化.结果表明,烧蚀对芳纶纤维/环氧材料的吸收特性影响较大,对碳纤维/环氧材料无明显影响.     

激光烧蚀铁丝法制备γ-Fe2O3纳米粉

提出脉冲激光烧蚀细丝制备纳米粉末的新方法，并根据该方法设计和制作了相应的纳米粉末制备装置。采用该方法和相应的实验装置，以Ф0．5mm的纯铁细丝为原料，在一定压力的N2和O2的混合反应气氛中获得了磁性γ-Fe2O3纳米粉末。γ-Fe2O3纳米粉末在形貌上呈链状．单个颗粒基本呈球形；纳米粉末的粒度均匀，平均粒径约为19nm，而且基本不存在硬团聚。为了对比研究，在同样的实验条件下进行了激光烧蚀铁块状靶材制备γ-Fe2O3纳米粉末的研究。与激光烧蚀块状靶材不同，激光烧蚀细丝法在烧蚀机理上实现了对靶材的整体爆炸式蒸发，从而大幅度提高了纳米粉末的产量。在400W的功率下．激光烧蚀铁丝制备的γ-Fe2O3纳米粉末的产率为1．8g／h，是同等条件下烧蚀块状Fe靶材制备纳米粉末产率的6倍。