均匀化激光加热CFRP层合板高温剩余拉伸性能

通过均匀化激光加热T700/9A16型碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)层合板,在试件的特定区域内形成较均匀的温度场。对加热后的CFRP层合板开展了拉伸性能测试,基于数字图像相关(digital image correlation, DIC)方法获取了试件激光加热区域在拉伸加载过程中的应变。结果表明:与常温相比,激光加热至300℃时,CFRP层合板拉伸弹性模量变化不明显,发生断裂时的极限应变增加了约28%,试件整体拉伸强度增加了约23%;激光加热超过420℃时,试件的拉伸力学性能开始出现明显下降。试件断口的扫描电子显微镜结果表明:与常温相比,激光加热至300℃时,碳纤维及环氧树脂的界面结合情况出现了明显的改变;激光加热温度超过420℃,可观察到碳纤维表面环氧树脂损失;激光加热至840℃时,可观察到明显的碳纤维丝烧蚀坑。热重分析显示,若CFRP层合板在高温下未发生明显热失重,则材料的剩余拉伸强度下降不明显;若出现明显的失重峰,则在相应温度区间内,材料的剩余拉伸强度明显下降。本文可为CFRP材料及结构在极端热环境下的工程应用提供参考。

基于均匀化激光双面辐照的热力耦合测试方法研究

为了研究以激光为热源开展材料高温力学性能测试的可行性,建立理论模型与数值模型,分析了材料在双面均匀激光光斑加热下的表面及内部温升。结果表明,理想情况下采用均匀化激光双面辐照的加热方式可以在试件加热区域内形成较均匀的温度场。为验证上述结论,建立了光斑匀化度达92%的激光双面辐照热力耦合测试试验平台,并基于相关测试方法获取了传统加热方式难以快速加热的CFRP层合板高温拉伸强度。结果表明,试件在激光加热中心测试区域(10 mm×10 mm)内的温度均匀性良好。试件在均匀化激光双面辐照下可被快速加热至923℃,测试区域内的最大温度波动为6.8%。文中提出的基于均匀化激光双面辐照的热力耦合测试方法相比传统测试方法具有通用性好、温升率高、测试温度高、测试效率高等一系列的优点。该研究可为进一步研制通用型材料/结构高温升率、高温力学性能试验系统提供关键技术支撑。

基于多层氧化膜演化的45#钢激光辐照热响应

为解决金属材料在激光辐照过程中因时变能量沉积所致的热响应问题,构建了由多层氧化膜生长模型、吸收基底表面多层吸收膜模型和热传导方程组成的能量沉积-热响应时变耦合模型。多层氧化膜包括Fe2O3、Fe3O4和FeO等三层,Fe2O3和Fe3O4氧化膜初期以线性规律生长,后期以抛物线规律生长,其中Fe3O4氧化膜在250℃以上开始生长;FeO氧化膜在570℃后以抛物线规律生长。利用吸收基底表面多层吸收膜模型计算了不同厚度多层氧化膜的反射率;利用热传导方程计算样品温度,联立求解了激光辐照过程中样品温度和反射率的变化历程。最后,建立了积分球反射率测量装置,在线测量了不同功率1.06μm连续激光辐照过程中45#钢的反射率和温度,实验结果与数值模拟结果吻合较好。

1.06μm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1.06μm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。

大温度动态范围物理过程的拍摄方法研究

高速摄影技术是研究激光与物质相互作用的一种重要手段,由于曝光容许度限制难以完整记录整个作用过程。从光谱角度对相机的感光特性、高温物体的辐射特性和照明条件分析,提出采用截止滤光片降低高温物体亮度的方法,并计算得到截止滤光片的参数。实验结果表明目标的亮度动态范围得到有效控制,显著提高了拍摄质量。

CCD中的激光光斑阴影现象及机理

对CCD相机在激光辐照下的暂时性失真问题进行了研究。用532nm连续激光辐照以线阵CCD为图像传感器的Piranha HS-41-02K30相机进行了实验,实验发现,激光光斑和3个与其大小、形状皆相似的暗斑同时、等间距地出现于感光阵列方向上。这些暗斑即为CCD相机在激光辐照下的一种暂时性失真现象,本文称这3个暗斑为光斑阴影。根据实验数据分析了这一现象的规律和产生机理。分析认为,CCD图像传感器4个并行读出电路因共用同一偏置源而相互影响是产生光斑阴影现象的内在机制。推导了共偏置并行电路信号之间相互影响的关系式,由得到的关系式可知,降低公共偏置源与并行读出电路公共节点之间的电阻可减弱上述阴影失真现象;而用4个电压源分别为并行读出电路提供偏置,可以消除这种光斑阴影现象。本文推导的共偏置并行电路影响关系式不仅可解释阴影现象,也可为设计CCD器件时减弱或消除阴影失真提供借鉴。

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。

金属材料表面激光耦合系数的反演

为了能通过背光面温度测量获得材料激光耦合系数,从傅里叶热传导方程出发,在一定的近似条件下推导出了不透明金属材料的表面激光耦合系数与背光面温升的关系表达式,给出了工程反演算法。采用两种不同的方法对反演算法进行了验证:一是用反演算法计算30CrMnSiA材料的1.3μm激光耦合系数,与文献报道的实验测量值进行比较;另外是实验测量4 mm-30CrMnSi钢板的背光面温升,反演得到1.3μm激光耦合系数随辐照时间和温度的变化,然后数值计算背光面温升并与原始实验测量结果进行比较。验证结果表明,借助于背光面测温反演激光耦合系数的方法可行,精度可以满足激光辐照效应研究的要求。

激光诱导炽光法与消光法诊断烧蚀羽烟消光性能

为了研究流场中碳纤维增强环氧树脂复合材料在激光辐照时产生的烧蚀羽烟对入射激光的屏蔽效应,通过对朗伯-比尔定律进行分析,得到了评价羽烟消光性能的平均质量消光系数的表达式,其与羽烟场浓度和激光透过率相关。采用激光诱导炽光法(LII)和激光消光法,搭建了羽烟消光性能联合诊断实验平台,使待测激光落于LII的激发光平面上,通过同步采集待测激光的透过率和LII信号,获得激发光平面上羽烟浓度场和激光消光比,得到羽烟在不同气流速度下的平均质量消光系数。实验得到气流速度为7,10,20m/s时羽烟对1064nm激光的归一化质量消光系数分别为2.51,1.08,1.00。实验发现,质量消光系数受到气流速度影响,当气流速度较低时质量消光系数曲线波动幅度大,且曲线均值较大;当气流速度较高时质量消光系数趋于稳定且均值较小。

重复脉冲激光造成扫描型CCD背景条纹的规律

为了描述重复脉冲激光使扫描型CCD输出视频产生背景条纹的规律,基于这种背景条纹现象的产生机理对理想矩形脉冲激光产生的条纹建立了数学描述模型。通过该模型,可根据相机的时间延迟积分级数、单级积分时间和激光脉冲的脉宽、脉冲重复周期等参量之间的关系来判断背景条纹能否出现并计算背景条纹的尺寸参量,计算精确度为1pix-el。利用重复皮秒脉冲激光和日光灯分别辐照扫描型CCD进行了实验,验证了上述模型计算结果的正确性。在该模型的基础上,结合背景光强与脉冲散射光强的关系,给出了条纹可见度的表达式,并通过实验验证了该表达式所反映出的条纹可见度随着相关参量变化的规律。

连续激光辐照下碳纤维环氧树脂复合材料热解问题研究

从能量守恒出发,将热解吸收的能量隐含于材料等效热容中,建立了连续激光辐照下碳纤维环氧树脂复合材料热响应的三维计算模型。在考虑辐射换热和表面对流换热的影响下,利用该模型计算了连续激光辐照下碳纤维环氧树脂复合材料的温度场和热解质量损失,并与实验结果进行了比较,两者比较吻合。结果表明:氮气流保护可以有效地抑制氧化效应,但实验中氧化过程不可避免;随激光辐照时间增大,试样质量损失逐渐增大,在长时间辐照下氧化带来的额外质量损失逐渐显现;在低功率密度下,试样以热解为主,质量损失随功率密度增大而增大,但随着功率密度升高,氧化的影响逐渐增强。

复合材料激光辐照实验中的吸收特性研究

在复合材料激光烧蚀研究中,首要解决的问题是激光的吸收问题。利用积分球法测量了材料蒙皮层及材料整体结构对1.319μm红外激光的反射率和透过率,获得了蒙皮层材料激光吸收特性随厚度的变化规律,以及材料表面状态变化导致的反射与透射特性的变化。在此基础上研究了蜂窝夹层材料激光烧蚀前后的反射、透射性能变化,结果表明,材料表面碳化后对近红外激光的反射率由30%降为10%左右,透过率由40%降为0,平均吸收率由30%增加到90%,蜂窝夹层材料对激光的吸收大大增加。

不稳定分布的碳烟消光表征方法及规律分析

碳烟的消光表征方法有很多种,但对于评价不稳定分布的碳烟体系,需要花费较大的代价。基于RDG-FA理论提出了一种相对简便易行的适用于不稳定分布碳烟的消光表征方法,即以碳烟的质量浓度权重的平均质量消光系数来评价碳烟的消光特性。根据理论推导,碳烟的消光系数为平均质量消光系数和总质量浓度之积,而平均质量消光系数表达式中的各项均可通过理论分析、计算和实验方法得到。另外,对平均质量消光系数随碳烟粒径和聚合粒子尺寸的变化规律进行了理论分析,预测随着碳烟粒径和聚合粒子尺寸减小,碳烟的平均质量消光系数先快速减小,然后进入缓变区,慢慢减小。

玻璃钢激光烧蚀碳化致微波传输衰减的数值模拟

当激光辐照玻璃钢烧蚀碳化至一定程度时,产生的树脂碳产物对微波传输产生衰减作用。针对该现象,开展了数值建模研究,将激光辐照-微波传输衰减效应分解为激光辐照、材料热响应、提取模型表征量、微波传输衰减分析等过程。通过玻璃钢材料的激光耦合特性和表面温度测试,对建立的玻璃钢层合板激光辐照温度场计算模型进行了验证;通过材料体温度分布的时间演进分析,提取了网格单元温度超过阈值温度的持续时间加权和S_(t,Tc)、网格单元温度超过阈值温度的持续时间与温度乘积的加权和S_(Tt,Tc)两个模型表征量,采用单个实验数据标定系数、整体数据点匹配分析方法,对微波传输衰减实验与数值模拟结果进行了分析。分析结果表明,S_(t,Tc)比S_(Tt,Tc)更适于表征玻璃钢烧蚀碳化致微波传输衰减效应,温度阈值为873℃时计算结果与实验结果最匹配,其R^(2)为0.9956。这说明,通过计算激光辐照玻璃钢温度响应并提取微波传输衰减效应表征量S_(t,Tc),可实现对玻璃钢激光烧蚀碳化致微波传输衰减效应的模拟和预测。

内压载荷金属壳体激光效应的相似性模拟准则

为了将模拟结果应用于评价动态内压载荷壳体的激光辐照效应,采用理论分析方法研究了模拟中的相似性问题,给出了飞行动态环境的模拟相似性原则、激光参数的模拟相似性原则和试件大小的模拟相似性原则.对飞行环境效应的模拟,要考虑壳壁气动加热和氧化效应;对光斑半径的模拟,若满足／πkt＜r0≤0.5R条件,则壳壁最高温度近似与光斑半径无关,并且对爆裂破坏模式,光斑半径还要满足热裂纹失稳扩展条件;对壳体试件的模拟,采用近几何相似缩比(大小缩比而壁厚不变),缩比率在1/5～1时可以用非线性拟合表征损伤关系.

纯铁氧化层的光学常数及其对激光耦合特性的影响

实验研究了大气环境下纯铁薄片样品在1 070nm连续激光辐照下的耦合特性变化规律,并通过控制激光辐照时间获得了不同反射率和氧化状态的纯铁氧化层样品。利用椭偏光谱法研究了不同氧化状态纯铁氧化层在1 070nm处的折射率和消光系数,基于椭偏反演结果和氧化层的微观形貌,提出了激光辐照下初期生成的α-Fe_2O_3氧化层等效折射率随膜厚变化的分段表征,并进一步修正了计算金属氧化层激光反射率的多光束干涉模型。利用修正后的模型计算了纯铁在激光辐照过程中的反射率变化规律,与实验结果吻合较好。

Kevlar/epoxy复合材料热解产物质量-时间曲线的形态分析

为研究kevlar/epoxy复合材料热解产物质量-时间曲线的形态,基于Arrhenius公式对该材料的热解失重过程进行了理论分析,推导得到了热解产物质量公式。该公式与本项目组前期实验研究中使用的Boltzmann公式在形式上和变化规律上具有相似性。基于Arrhenius公式构建了热解产物质量分数计算程序,并对Boltzmann公式与热解产物质量公式的等效性进行了定量分析。结果表明,当材料升温速率较小时,Boltzmann公式与热解产物质量公式之间的差异较小,二者具有较高的等效性;当材料升温速率增大时,二者间的差异快速增大。当材料温度以e指数形式增长,升温速率高于75.8℃·s^-1时,材料的热解产物质量-时间曲线将不能用Boltzmann公式进行描述。

散射光信号与石墨-二氧化硅激光辐照烧蚀阈值的关系

石墨-二氧化硅作为无机添加材料,广泛应用于各类航空航天器烧蚀涂层领域,其在高温下具有较高的反应吸热焓,在高能激光烧蚀领域具有良好的应用前景。目前,关于石墨-二氧化硅的高能激光烧蚀研究较少,尤其在高能激光烧蚀中的反应时间和烧蚀阈值难以确定。针对此问题,利用近红外探测器对激光辐照样品表面的散射光进行实时探测,并对其散射光曲线进行微分拟合处理。基于此散射光信号,结合样品烧蚀后的形态结构分析,研究了石墨-二氧化硅在不同激光功率密度下的反应时间阈值。研究结果表明:在激光输出功率密度为500 W/cm^2持续辐照10 s时,散射光拟合曲线持续升高无突变,表明未发生明显的烧蚀;当激光功率密度升高至1 000~1 500 W/cm^2时,散射光微分拟合曲线出现明显转折点,对应的反应时间阈值分别为1.5 s和0.8 s。

CaCO_3涂层激光烧蚀性能初步探究

激光器因其自身的特点得到了长足的发展和广泛的应用,相应的,随着激光的军事化应用所产生的激光威胁必须得到妥善解决,为了保护装备及其基体不受激光损伤和破坏,激光防护必不可少。而现阶段,对于大功率连续激光而言,其对材料的破坏形式主要是热破坏,表现为被辐照材料温度达到一定临界点后,以氧化、熔融、气化的形式发生不可逆的损耗,所以为了保证装备及其基体不发生上述破坏,采用一定的方式消耗入射激光能量,进而减小激光热量转化和沉积使得温度降低到材料损伤阈值以下,是可行的方式之一。因此,基于上述机制选用了一种常见的焓变涂料CaCO_3作为研究对象,探究了其激光烧蚀行为和防护能力。研究结果表明,CaCO_3涂层明显降低了基体材料在激光辐照下的温度,实现了入射激光能量的有效耗散。并经初步计算,单位面积(1 cm^2)涂层可耗散0.473 kJ的能量,可降低45钢基体温度约53℃。

La_(1-x)Sr_xTiO_(3+δ)陶瓷涂层抗激光烧蚀性能研究

以La_(1-x)Sr_xTiO_(3+δ)西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室!西安710024(x=0.1)为填料,以环氧乳液为基料,采用空气喷涂制备了La_(0.9)Sr_(0.1)TiO_3涂层,并对涂层微观组织结构及抗激光烧蚀性能进行研究。结果表明:所制备的La_(0.9)Sr_(0.1)TiO_3涂层在激光功率为350 W时能够承受8 s的激光烧蚀而只发生轻微损伤,当激光功率达到1000 W时,涂层剧烈燃烧而发生严重损伤。La_(0.9)Sr_(0.1)TiO_3涂层在较大功率激光短时间烧蚀或者较小功率激光长时间烧蚀后,涂层中有机部分剧烈燃烧,直接破坏涂层结构,使涂层丧失其优异的高反射性能。