长脉冲激光辐照下环氧树脂的热烧蚀规律

 研究了树脂基复合材料中常用的E-51环氧树脂在ms级脉冲激光辐照下热烧蚀率及质量烧蚀率的变化规律,分析了脉冲激光的辐照时间、峰值功率密度、重复频率以及脉宽对烧蚀率的影响。研究结果表明：随辐照时间的增加热烧蚀率逐渐增大,但辐照一定时间后,热烧蚀率趋于稳定;峰值功率密度的增加能明显提高热烧蚀率,但随峰值功率密度的增加,热烧蚀率的增幅减小直至趋于一定值;热烧蚀率不随脉冲激光重复频率和脉宽的变化而改变,当峰值功率密度一定时,热烧蚀率一定,质量烧蚀率与频率和脉宽成正比。     

纤维增强复合材料激光烧蚀效应的数值模拟

考虑材料的热解、氧化、相变及辐射和内外对流换热等物理过程,给出了激光烧蚀纤维增强复合材料的物理模型及数学模型。以碳纤维/环氧树脂复合材料为例,编程计算了材料的激光烧蚀过程,计算结果与实验结果符合得较好。计算结果表明：考虑复合材料的内对流时得到的结果更准确;较强功率密度激光辐照时,氧化对烧蚀的贡献可以忽略;功率密度一定时,烧蚀质量随时间近似为线性变化,功率密度越高,烧蚀效率越高。以辐照结束时背表面温度及烧蚀质量为目标物理量,对烧蚀过程做了参数敏感性分析,结果表明：热容及热导率对背表面温度的影响较大;树脂含量对烧蚀质量的影响较大,但其相对敏感度随激光功率密度增加而下降;激光功率密度超过1 kW/cm2时,辐射系数对烧蚀质量影响较大,但其相对敏感度随激光功率密度增加而下降。     

激光辐照下复合材料热响应的轴对称数值分析

为了模拟激光辐照下碳纤维增强复合材料的瞬态热响应,建立了轴对称计算模型。模型考虑了激光辐照过程中基体热分解、质量迁移、比热容和热导率等物理量的变化情况。采用有限元方法求解控制方程,边界条件包含了激光辐照、对流换热以及辐射换热。在此基础上编写了计算程序,预测了激光辐照下碳纤维增强复合材料的瞬态温度场和基体热分解状况。为了校核模型,开展了激光辐照碳纤维复合材料试验。计算结果与试验数据比较表明,模型预测的复合材料温度-时间曲线与试验结果较好吻合,在较低功率密度激光辐照下复合材料热响应以基体热分解为主,与试验烧蚀形貌观察结果一致。     

树脂基复合材料在连续激光作用下的损伤

 采用热压工艺制备了碳纤维布和高硅氧纤维布增强的环氧树脂和酚醛树脂基复合材料,研究了不同功率密度连续激光辐照下,复合材料的破坏形式及其组织结构与力学性能的变化。结果表明：当激光辐照功率密度大于0.1 kW/cm²后,树脂基体产生燃烧,碳纤维没有明显的损伤,而玻璃纤维布开始熔融,复合材料的拉伸性能降低30%~40%;当功率密度达到1 kW/cm²以后,除基体燃烧外,碳纤维复合材料产生明显的鼓泡分层,表层碳纤维有少量破断,而高硅氧纤维产生明显的熔融烧损,复合材料的拉伸性能降低80%以上。采用有限元计算方法,对碳纤维增强环氧树脂复合材料在连续激光辐照下的温度场进行了研究,计算结果与实验中复合材料的损伤行为相吻合。     

超短脉冲激光对硅膜的热力效应分析

为了研究超短脉冲激光辐照下半导体材料的热力效应,在热电子崩力和自洽场两种模型的基础上,得到了完全耦合的非线性热弹方程组。在单轴应力条件下,采用有限差分法,讨论了不同脉宽的超短脉冲激光辐照下,硅膜内载流子温度、晶格温度、热应力以及热电子崩力随时间及膜深度的变化情况。结果表明,脉冲宽度对硅膜的热力损伤过程起重要作用。能量密度一定时,载流子和晶格达到热平衡所需时间随脉冲宽度的增加而增加;热电子崩力呈现明显的双峰结构,同时脉冲宽度对第二个峰值的影响较大;脉宽越窄,热应力的峰值越大,越容易对材料造成损伤,为激光加工和光电器件的损伤提供了理论参考。     

重复脉冲激光辐照光学材料的热力效应

在建立高斯型重复脉冲激光辐照光学材料模型的基础上,得到了圆柱型光学材料的二维温度场和热应力的解析解.以K9玻璃为例,通过数值计算得到同条件下重复脉冲激光对光学材料的损伤阈值.研究表明：在高斯型重复脉冲激光辐照下,损伤阈值受到脉冲数目、宽度、重复频率以及脉冲激光光斑半径的影响,多数情况下K9玻璃会发生热应力损伤.     

连续和重复频率激光对旋转壳体加热效率的数值模拟

 基于有效利用激光能量的目的，采用有限元分析方法分析并比较了重复频率和连续激光对旋转壳体的加热效率。数值计算结果表明：重复频率激光要比连续激光的加热效率高，而且加热效率与重复频率、占空比等有关；在平均功率密度相同的前提下，在频率相同条件下，占空比减小，温度上升加快，即加热效率随占空比的减小而增大；在相同占空比条件下，重复频率越小温度周期变化越明显，振荡峰值越大，当占空比较小时随着辐照时间的增加重复频率对加热效率影响减小。     

石墨改性环氧树脂抗强激光辐照性能

 在激光硬杀伤防护体系研究中,制备了鳞片石墨改性环氧树脂涂层,分析了它与辐照激光能量耦合作用规律,研究了其热烧蚀性能、隔热性能等抗激光辐照性能,并对不同参数激光辐照后该材料的损伤形貌进行宏观、微观分析,确定了损伤阈值与损伤形式。实验结果表明：石墨改性环氧树脂具有优良的抗强激光辐照性能,连续激光辐照下功率密度损伤阈值高于2 kW/cm²;高温下与激光能量耦合系数仅为10%左右,稳定热烧蚀率低至μg/J量级;具备优良的纵向隔热性能,高温下热导率在10 W·K^-1·m^-1以下;低功率密度激光辐照下损伤形式为轻微氧化,高功率密度激光辐照下则以汽化烧蚀为主;材料制备工艺简单,成本低廉,与被加固材料界面结合良好。     

水滴烧蚀多脉冲激光推进性能

 用实时的推力测试方法研究了水滴烧蚀模式多脉冲TEA CO2激光推进的推进性能。用纹影法研究了伴随水滴烧蚀产生的激波等流场变化过程。多脉冲激光推进的比冲和冲量耦合系数等性能参数随激光脉冲重复频率的变小和脉冲数目的增加而逐渐下降。与激光传输相反和相同方向的激波传播最大速度分别为10 km/s和7 km/s。与纹影法结果同步获得的推力曲线表明：汽化过程对推力的形成过程贡献最大,激波也对推力的形成过程有一定贡献。     

两种纤维增强复合材料与连续激光耦合规律

 利用双积分球-光电管系统，开展了不同厚度的芳纶纤维/环氧、碳纤维/环氧复合材料在不同强度（低于烧蚀阈值）的1.319 mm连续激光辐照下的能量耦合规律研究。结果表明：芳纶纤维/环氧复合材料的反射率、能量耦合率随材料厚度增加而增大，透射率随材料厚度增加而减小；在材料厚度一定时，反射率、透射率随激光强度增加而增大，能量耦合率随激光强度增加而减小；体吸收系数随材料厚度的增加而减小，激光强度的变化对其没有影响。碳纤维/环氧复合材料的反射率随激光强度增加而增大，能量耦合率随激光强度的增加而减小，材料厚度对反射率和能量耦合率的影响不大。     

Near-critical nanosecond laser-induced phase explosion on graphite surface

Optical reflectivity, removal rate and ablative recoil pressure magnitudes were measured as a function of laser fluence during high-power UV nanosecond laser ablation of graphite. At low fluences only melting and weak surface vaporization of molten carbon were observed. At moderate fluences there is a very narrow fluence interval where the reflected fluence starts to saturate, while the removal rate and ablative recoil pressure rise drastically in a correlated manner, indicating the onset of a near-critical surface phase explosion. Then, at higher fluences the reflected fluence, removal rate and recoil pressure saturate with an appearance of a luminous plume, altogether indicating negligible specular reflectance and absorbance on the target surface due to its complete screening by the highly-absorbing laser plume. The overall strong correlation between the removal rate and recoil pressure magnitudes may indicate rather quasi-continuous removal of the near-critical superheated molten carbon layer by a propagating unloading wave in the absence of a crucial sub-surface temperature maximum in the layer.     

蒸气压对激光辐照靶材烧蚀速率的影响

研究了强激光辐照碳/碳复合材料靶材引起的烧蚀现象及蒸气压对烧蚀速率的影响。基于傅里叶定律,建立了强激光辐照靶材的热传导模型,模拟了忽略蒸气压影响时烧蚀速率随功率的变化;通过Mott-smith近似方法描述了Knudsen层间断区域,分析了间断两侧表面粒子状态参数;结合质量连续方程和蒸气压与温度关系方程,并由气体状态方程描述蒸气流状态,对蒸气压条件下激光烧蚀碳/碳复合材料靶材的速率随功率变化的关系进行了数值模拟。结果表明,在高能激光对靶材的烧蚀过程中,蒸气压力变化会导致靶材的饱和蒸气温度发生变化,进而影响烧蚀速率且使其随功率呈非线性变化,与忽略蒸气压作用时的线性变化规律相差较大,从理论上解释了忽略蒸气压导致的实验数据与理论结果的差异。     

炭化烧蚀材料热解膨胀和线膨胀对内部温度场影响研究

本文根据炭化烧蚀材料的防热机理,认为防热材料表面化学烧蚀后退、热解膨胀和内部温度升高引起线膨胀是造成防热层厚度变化的因素,国内外学者主要研究了表面化学烧蚀后退对飞行器外形变化和温度场的影响,而对于后两者的具体影响却少有研究。本文数值模拟了高硅氧-酚醛炭化材料的烧蚀热响应过程,分析和解释了计算结果,说明了防热材料的线膨胀和热解膨胀对外形和温度场有较大的影响。     

Finite element simulation of pulsed laser ablation of titanium carbide

In the present paper, a 2D finite element model based on the heat-conduction equation and on the Hertz-Knudsen equation for vaporization was developed and used to simulate the ablation of TiC by Nd:YAG and KrF pulsed laser radiation. The calculations were performed for fluences of 8 and 10 J/cm², which according to experimental results obtained previously, correspond to large increases of the ablation rate. The calculated maximum surface temperature of the target for both lasers is higher than the estimated value of TiC critical temperature, corroborating the hypothesis that the increase of the ablation rate is explained by the explosive boiling mechanism.     

复合结构掠入射板条放大器热效应的模拟分析

为了研究复合结构掠入射板条放大器的热效应,采用在Nd:YVO4晶体抽运面上键合具有高热导率性能的蓝宝石的复合结构,并建立了相应的热力学模型,对激光介质的温度场分布、光程差（OPD）和热透镜效应进行了详细的理论分析,利用有限元分析软件COMSOL模拟了晶体内部的温度、应变、光程差（OPD）及热焦距的分布情况。结果表明,板条厚度为2 mm、键合层厚度1 mm、抽运功率60 W时,复合结构相对于单一结构最高温度下降了约50 K,晶体中的最大形变量降低超过了1/3,极大地降低了介质中的热效应。     

脉冲激光烧蚀过程中靶材表面熔融前温度分布与激光功率密度分布的研究

用较为符合实际的高斯分布表示了脉冲激光输出功率密度分布，讨论了脉冲激光功率密度分布函数形状变化对烧蚀过程中靶材表面熔融前温度分布的影响。建立了考虑热源项的热传导方程，并给出了相应的边界条件。以Si为例，用有限差分方法模拟了温度随时间、位置的变化规律，模拟过程中强调了对边界条件的处理，使整体截断误差保持最小。通过改变脉冲激光功率密度分布函数的形状，分析了温度分布的变化。结果表明，相比恒定脉冲功率密度输出，功率密度高斯分布的激光束与靶材作用时高温阶段的温度变化率变大，靶材表面熔融时刻热扩散距离增加；当激光器上升沿变陡时，在有效作用时间内温度上升得更快，对加工区域周围热效应的影响明显减弱，而热扩散距离变小。     

切向气流和激光作用下碳纤维/环氧材料的损伤特性

无气流和切向气流马赫数分别为0.50,0.85条件下,开展了碳纤维/环氧材料激光辐照损伤特性研究实验,对碳纤维、环氧树脂和复合材料热失重曲线、温度历史曲线以及实验后复合材料损伤形进行分析,结果表明:由于切向气流阻止材料燃烧且对材料表面起冷却作用,无气流条件下材料的热损伤区域远大于激光辐照区域,与切向气流条件相比,材料后表面温升时间长、温升幅值高;在切向气流环境下,由于气流作用使得材料的损伤包括烧蚀损伤和断裂损伤;从损伤形貌和后表面温度历史、温升速率比较来看,在切向气流马赫数为0.50~0.85的速度范围内,碳纤维/环氧材料在切向气流和连续激光(102 W/cm2量级)联合作用下的损伤差异不明显。     

Thermal and induced flow characteristics of radio frequency surface dielectric barrier discharge plasma actuation at atmospheric pressure

Thermal and induced flow velocity characteristics of radio frequency(RF) surface dielectric barrier discharge(SDBD)plasma actuation are experimentally investigated in this paper. The spatial and temporal distributions of the dielectric surface temperature are measured with the infrared thermography at atmospheric pressure. In the spanwise direction, the highest dielectric surface temperature is acquired at the center of the high voltage electrode, while it reduces gradually along the chordwise direction. The maximum temperature of the dielectric surface raises rapidly once discharge begins.After several seconds(typically 100 s), the temperature reaches equilibrium among the actuator's surface, plasma, and surrounding air. The maximum dielectric surface temperature is higher than that powered by an AC power supply in dozens of k Hz. Influences of the duty cycle and the input frequency on the thermal characteristics are analyzed. When the duty cycle increases, the maximum dielectric surface temperature increases linearly. However, the maximum dielectric surface temperature increases nonlinearly when the input frequency varies from 0.47 MHz to 1.61 MHz. The induced flow velocity of the RF SDBD actuator is 0.25 m/s.