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。     

碳纤维增强环氧树脂复合材料在切向气流和激光作用下的损伤

实验研究了靶板表面有0.4 Mach(1 Mach=340 m/s)切向空气气流、0.4 Mach切向氮气气流和无气流时,976 nm连续激光对碳纤维增强E-51环氧树脂复合材料的辐照效应,得到了该材料在不同功率密度下的烧蚀规律.实验结果表明:当样品发生剧烈热分解时,随热分解气体流出边界的固体颗粒对入射激光有屏蔽作用;切向气流一方面可以减弱这种屏蔽作用,有利于辐照区的烧蚀,另一方面对样品有冷却作用,不利于烧蚀;相比于氮气流,空气流有助于产物的燃烧,对下游附近区域产生明显的加热作用;切向空气气流的加载会明显提高扩散到样品表面的氧气浓度,导致碳纤维发生氧化烧蚀;三种气流状态下,当入射激光功率密度在100～800W/cm2范围内,随着功率密度的增大,激光能量的利用效率逐渐降低.     

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。     

脉冲激光烧蚀铝合金靶的实验研究与数值模拟

通过实验测量与数值模拟的紧密结合,研究了毫秒级脉冲激光对铝合金板的烧蚀效应。实验研究方面,测量了1053 nm固体脉冲激光辐照下,铝合金单板的烧蚀过程及温升规律。数值模拟方面,采用完全喷射烧蚀模型,建立了金属靶温度变化及烧蚀的数值模型。数值模拟结果与实验结果相符较好,表明所建立的二维轴对称烧蚀模型可以近似描述实验中的烧蚀效应。本文建立的数值模型亦可推广至三维情形。     

陶瓷涂层加固铝合金薄板的抗激光性能测试

针对铝合金基材设计了ZrO2陶瓷涂层,采用976 nm连续波激光对样品的抗激光性能进行了测试。基材厚度为2.5 mm,涂层厚度为0.3 mm,实验测试时样品前表面加载了0.3 Ma切向空气流。记录了辐照区域后表面测点的温度变化情况,测量了未辐照区与辐照区的反射率谱,并进行了XPS成分分析。结果表明:平均功率密度700 W/cm2的激光辐照60 s样品没有熔化;辐照区域颜色变白,对近红外光的反射率变大。颜色变白的原因可能是涂层表面沾染的含碳化合物在激光辐照过程中被热解或气化,这与XPS检测结果相一致。     

确定激光与物质能量耦合系数的非线性规划方法

热耦合系数在激光与物质相互作用中扮演着重要的角色。引入非线性规划方法，根据测量到的靶材某一表面的温度历史曲线构造非线性规划模型，通过对非线性规划问题的求解确定随温度变化的热耦合系数。并利用此方法给出了某种材料的热耦合系数随温度的变化关系，曲线常温点(300 K)对应的热耦合系数与光谱扫描仪测量的结果基本一致，表明这种思想方法是有效的。     

Nomex蜂窝夹层板弯曲性能温度相关性的实验研究

采用三点弯曲法对六边形Nomex蜂窝夹层板在不同温度下的弯曲性能进行了研究。根据蜂窝芯的正交各向异性特征,分别取面内的两个主方向为长度方向制作了L试件和W试件。在25 ℃、50 ℃、100 ℃、150 ℃和180 ℃下开展了弯曲实验,确定了弯曲刚度与剪切刚度。结果表明:随着温度的升高,两个方向上的弯曲刚度与剪切刚度均明显下降;当温度升高到180 ℃时,弯曲刚度与剪切刚度均低于常温时的20%。对于蜂窝夹层板在横向力学载荷作用下的破坏模式,当温度低于50 ℃时,多出现面板凹陷;当温度达到150 ℃甚至更高时,多出现面板与蜂窝芯脱离并向外凸出。文中研究成果可以为Nomex蜂窝夹层板在变温或激光辐照下的工程应用提供参考。     

碳纤维增强环氧树脂复合材料在切向气流和激光作用下的损伤

实验研究了靶板表面有0.4 Mach(1 Mach=340 m/s)切向空气气流、 0.4 Mach切向氮气气流和无气流时, 976 nm连续激光对碳纤维增强E-51环氧树脂复合材料的辐照效应, 得到了该材料在不同功率密度下的烧蚀规律。实验结果表明: 当样品发生剧烈热分解时, 随热分解气体流出边界的固体颗粒对入射激光有屏蔽作用; 切向气流一方面可以减弱这种屏蔽作用, 有利于辐照区的烧蚀, 另一方面对样品有冷却作用, 不利于烧蚀; 相比于氮气流, 空气流有助于产物的燃烧, 对下游附近区域产生明显的加热作用; 切向空气气流的加载会明显提高扩散到样品表面的氧气浓度, 导致碳纤维发生氧化烧蚀; 三种气流状态下, 当入射激光功率密度在100～800 W/cm²范围内, 随着功率密度的增大, 激光能量的利用效率逐渐降低。     

YSZ全陶瓷涂层加固薄板在激光辐照下的热响应

实验与数值模拟手段相结合,研究了YSZ全陶瓷涂层加固钛合金薄板在976 nm连续波激光辐照下的热响应。比较了不同功率密度下的温度历史曲线和表面形态。考虑主要换热因素,建立了样品温度场模拟的数值模型,根据实验后YSZ涂层未辐照区与辐照区的反射率测量结果描述了辐照过程中耦合系数的变化。结果表明:YSZ全陶瓷涂层对近红外波段激光具有良好的反射特性,显著提高了基材的抗激光损伤能力;激光辐照过程中耦合系数的变化对温度场有重要影响,耦合系数的变化可能与表面的微量烧蚀过程密切相关。     

热分解气体对流传输对树脂基复合材料温度场的影响

用有限差分法对激光辐照下复合材料树脂基热解时的一维温度场模型进行数值求解,将数值模拟结果与相关文献中给出的实验结果进行对比.结果表明:考虑了对流传输效应的数值模拟结果比没有考虑对流传输效应的数值模拟结果与实验结果符合的更好,即热分解气体的对流传输对树脂基复合材料的温度场有较大的影响.因此,在不引入力学量的前提下,建立激光辐照下复合材料树脂基热解时的三维温度场模型时,需要考虑热分解气体的对流传输效应.