激光对碳纤维增强复合材料的热烧蚀数值模拟

高能激光对复合材料的辐照效应研究,可以拓展激光技术的应用范围。为了预测激光辐照下碳纤维增强复合材料的瞬态热响应,提出了一个简化计算模型。采用隐式有限体积方法求解控制方程,边界条件包括激光辐照加热、对流换热、辐射换热以及材料表面烧蚀。考虑了激光辐照过程中基体热分解、质量迁移、比热容变化情况。基于该烧蚀模型,预测了激光辐照下碳纤维增强复合材料的瞬态温度场和表面烧蚀速率,计算结果与文献试验数据一致。最后,通过修正烧蚀模型分析了高速气流剥蚀对激光辐照复合材料热效应的影响。     

两种纤维增强复合材料连续激光烧蚀阈值测量及吸收特性分析

 通过双积分球-光电管测试系统和摄像记录的方法,对芳纶纤维/环氧和碳纤维/环氧两种复合材料在1.319 μm连续激光作用下的烧蚀阈值和烧蚀过程中材料对激光能量的吸收特性进行了实验研究。结果表明：芳纶纤维/环氧复合材料的平均烧蚀阈值随材料厚度增加而降低,碳纤维/环氧复合材料的平均烧蚀阈值不受材料厚度影响,约为70 W/cm²;两种纤维增强复合材料烧蚀前的反射率随激光功率增加而缓慢增大,芳纶纤维/环氧材料从0.40变化到0.45,碳纤维/环氧材料从0.15变化到0.20;当发生烧蚀时,芳纶纤维/环氧材料的反射率急剧下降,吸收率增大,碳纤维/环氧材料的反射率无明显变化,吸收率约为0.80。     

脉冲激光烧蚀材料等离子体反冲压力物理模型研究与应用

分析了脉冲激光烧蚀材料等离子体等温膨胀阶段的物理特性,建立了脉冲激光烧蚀材料等离子体压力三维方程与动力学模型.应用所建模型,数值分析了单脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮等离子体相关特性,得到等离子体的反冲压力最大值870 Pa出现在约25 ns后,距离砂轮表面距离约0.05 mm处.相关条件下开展脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮试验,采用高速相机观测烧蚀砂轮过程中的飞溅现象;采用光栅光谱仪测量等离子体空间发射光谱,计算了等离子体电子温度、电子密度以及反冲压力.实验表明脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮等离子体反冲压力可以不计,同时也验证了气体方程与动力学模型的正确性和可行性,对脉冲光纤激光烧蚀工艺优化具有启示意义.     

航空复合涂层材料的激光烧蚀效应

针对航空激光防护技术研究需求,开展了复合涂层材料的激光烧蚀效应综合研究。采用圆棒固体激光器作为测试光源,搭建了具有在线温度测量功能的烧蚀实验平台。在此基础上,对聚碳硅烷(PCS)涂层样品开展了激光烧蚀实验。通过对烧蚀区域形貌和温度数据的对比分析,证明了PCS复合材料具备显著的激光防护作用。同时,从理论方面对涂层的激光防护机理进行了研究,基于材料热传导方程,建立了激光烧蚀过程的热力学模型,对温度场变化进行了模拟。研究结果表明,在复合涂层的保护下,kW级激光仅产生百℃的金属基底升温。     

碳纤维复合材料的激光清洗等离子体光谱在线检测研究

近年来碳纤维复合材料（CFRP）由于性能优异,受到工业领域广泛关注。采用激光清洗技术预处理碳纤维复合材料表面的污染物和环氧树脂等杂质,有利于改善碳纤维复合材料表面性能,提高碳纤维复合材料胶接界面的结合强度。在线检测激光清洗过程,实时判断碳纤维复合材料的表面清洗质量,是保证激光清洗效果的关键环节,也是激光清洗装置自动化、集成化的核心技术。激光诱导等离子体光谱技术可以快速分析材料表面元素变化,实现在线检测激光清洗表面状态,在激光清洗领域有很广的应用前景。采用Nd∶YAG高能量脉冲激光器产生的1 064 nm激光在空气环境中诱导产生等离子体,利用改进型光栅光谱仪(ME5000)获取等离子体光谱,在线检测激光清洗碳纤维复合材料。研究外界空气环境对等离子体光谱检测结果的影响,发现350~700 nm波段的元素谱线可用于碳纤维复合材料表面物质成分分析;采用电子扫描显微镜观测的激光清洗表面形貌和X射线电子能谱仪测得的元素变化共同表征等离子体光谱检测的有效性,通过采集不同激光能量以及不同作用次数的等离子体光谱图,获得碳纤维复合材料表层树脂物质通过激光单次清洗干净的阈值,研究激光清洗质量与激光诱导等离子体谱线成分及其强度变化的关系。结果表明：在获取的激光诱导等离子体光谱中,光谱图中谱线波长在393.3 nm的S(Ⅱ)和589.5 nm的S(Ⅱ)谱线可有效在线表征碳纤维复合材料表面清洗质量;激光单次去除干净表面环氧树脂的阈值为10.68 mJ;低激光能量时需要清洗多次可以去除干净表面树脂;高激光能量时清洗单次可使表面树脂去除干净,多次清洗易造成基体损伤。实验结果为激光清洗碳纤维复合材料的智能集成化应用提供工艺依据和技术支持。     

飞秒激光烧蚀齿曲面的复耦合模型及形貌影响

针对飞秒激光烧蚀齿曲面过程中能量累积效应与变离焦效应对齿面形貌与烧蚀尺寸的影响问题,建立飞秒激光烧蚀复耦合模型,通过有限差分法求解得到激光烧蚀面齿轮材料18Cr2Ni4WA的电子与晶格在不同的脉宽与能量密度下的温度变化分布,对烧蚀凹坑的深度及半径进行仿真。考虑激光束在加工齿面时,与被加工齿面之间存在倾斜角,根据光斑能量分布方式得到齿面底角与激光能量的定量关系,结合焦半径与折射率的变化,对飞秒激光烧蚀齿面深度、半径与形貌进行研究。通过实验得到当激光能量密度为1.783 J/cm²且被加工齿面底角过大时,激光能量降低烧蚀过程只发生在材料表面;当能量密度为2.376 J/cm²、激光脉冲数为3 000时,烧蚀凹坑的微结构细密良好。研究结果表明飞秒激光烧蚀曲面时,激光有效能量随着倾斜角的变化降低,同时激光光斑的能量分布影响了烧蚀凹坑深度的变化,可为提高飞秒激光加工齿曲面质量提供参考。     

飞秒激光对氟化镁烧蚀机理研究

用扫描电镜(SEM)研究了氟化镁在800nm超短脉冲激光作用下的单枪表面烧蚀形貌.根据烧蚀斑面积与激光脉冲能量间的对数关系，测得烧蚀阈值与激光脉宽的关系曲线(55—750fs).计算了导带电子的双光子吸收，改进了多速率方程模型，很好地解释了实验结果. 关键词： 飞秒激光 氟化镁 烧蚀机理 双光子吸收     

纳秒紫外重复脉冲激光烧蚀单晶硅的热力学过程研究

采用波长为355 nm的纳秒紫外重复脉冲激光对单晶硅片进行了盲孔加工实验, 观测了随脉冲增加激光烧蚀硅片的外观形貌和盲孔孔深、孔径的变化规律, 并对紫外激光辐照硅片的热力学过程进行了分析. 研究结果表明:紫外激光加工硅盲孔是基于热、力效应共同作用的结果, 热效应会使得硅材料熔化、气化甚至发生电离产生激光等离子体,为材料的去除提供条件;激光等离子体冲击波以及高温气态物向外膨胀会对熔化材料产生压力致使其向外喷射,为重复脉冲的进一步烧蚀提供了条件;力效应主要沿着激光传输的方向,垂直于硅表面,使得去除部位主要集中在孔的深度方向,达到较高的孔径比,实验观察孔径比可达8:1;此外,激光等离子体的产生也阻止了激光对靶面的作用,加之随孔深的增加激光发生散焦,使得烧蚀深度有一定的限制,实验观察烧蚀脉冲个数在前100个时加工效率较高.     

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。     

飞秒激光烧蚀氟化钙晶体表面特性

采用飞秒激光对氟化钙晶体表面进行加工。通过调控激光参数,采用静止聚焦和动态扫描两种方式在晶体表面加工出一系列微结构(烧蚀孔和烧蚀线)。分别对两种加工方式烧蚀后的氟化钙晶体表面微结构进行系统研究,包括参数依赖关系、材料表面烧蚀阈值等。计算结果表明:在静止聚焦情况下,累积因子为0.0033;在动态扫描情况下,当扫描方向与激光偏振方向垂直或平行时,累积因子分别为0.0043和0.0052。飞秒激光加工过程中的脉冲累积效应能够对晶体的烧蚀产生重要影响。     

多脉冲飞秒激光对锗材料的烧蚀效应

 开展了脉宽为40 fs的不同数量激光脉冲对锗材料的烧蚀效应实验,采用扫描电镜、激光共聚焦显微镜等方法对不同数量的飞秒激光脉冲作用下锗材料表面烧蚀区进行了检测,并对作用后材料烧蚀形貌演化规律进行了分析,初步分析了锗材料烧蚀区周围形成的不同环区的形貌特征及成因,对各环区烧蚀形貌特征随激光作用脉冲数的增加而产生的形貌演化过程进行了观测。并给出单脉冲飞秒激光对锗材料的烧蚀阈值为1.2 J·cm^-2,采用激光共聚焦显微镜测得该阈值条件下单个飞秒激光脉冲对锗材料的烧蚀深度约为150 nm。     

飞秒激光在空气和水中对硅片烧蚀加工的实验研究

采用1 kHz,800 nm,50 fs—24 ps的钛宝石激光脉冲对单晶硅样品在空气和水溶液环境中的烧蚀加工特性进行了研究.实验观察到了超短脉冲激光在空气氛围中烧蚀形成的双层环状结构,分析揭示了加工区域中心和边缘的烧蚀物理机制分别为热熔化和库仑爆炸,并测量了双层环状结构半径随入射激光能量、脉冲数及持续时间等的变化关系,结果表明获取较大深-宽比的加工效果需选择小能量脉冲激光的多次作用.在水溶液环境中,实验发现飞秒激光在样品表面诱导产生了亚微米量级的多孔状结构,而皮秒激光则更容易实现对硅表面的非热性去除.这是由于激光诱导的光机械应力和空泡效应随脉冲宽度变大而增强所致,在实验上确立了区分这两种不同加工状态的临界脉冲宽度. 关键词： 飞秒激光 硅片 激光加工     

基于双相延迟模型的飞秒激光烧蚀金属模型

为了分析飞秒激光烧蚀过程,在双相延迟模型的基础上建立了双曲型热传导模型.模型中考虑了靶材的加热、蒸发和相爆炸,还考虑了等离子体羽流的形成和膨胀及其与入射激光的相互作用,以及光学和热物性参数随温度的变化.研究结果表明:等离子体屏蔽对飞秒激光烧蚀过程有重要的影响,特别是在激光能量密度较高时;两个延迟时间的比值对飞秒激光烧蚀过程中靶材的温度特性和烧蚀深度有较大的影响;飞秒激光烧蚀机制主要以相爆炸为主.飞秒激光烧蚀的热影响区域较小,而且热影响区域的大小受激光能量密度的影响较小.计算结果与文献中实验结果的对比表明基于双相延迟模型的飞秒激光烧蚀模型能有效对飞秒激光烧蚀过程进行模拟.     

整形飞秒激光金属材料精细加工

实验通过二极管记录透射光信号随脉冲个数变化关系以及观测样品烧蚀形貌来研究不同实验条件对激光烧蚀的影响。使用的样品是厚度为50 m铝箔。实验中通过研究不同变量:激光焦点与样品的相对位置、激光的能量、背景气体压强以及脉冲形状对烧蚀加工过程和结果的影响,从而获得较好烧蚀效果的条件,达到控制烧蚀加工过程的目的。特别是通过使用不同形状的脉冲和具有一定规律的脉冲序列对样品进行烧蚀,发现某些形状的整形脉冲烧蚀结果明显优于变换极限脉冲。说明脉冲整形作为一种新的技术可以在激光精细钻孔领域得到更深入的研究和应用。     

序列尖峰脉冲激光对铝板熔融热-力效应研究

 本文用金相显微和扫描电镜诊断技术，对序列尖峰脉冲准连续激光束辐照LY12CZ和LF6M铝合金板材，产生激光热熔融与激光热应力效应，使照射区板材引生激光烧蚀池和许多断裂裂纹，造成材料断裂破坏的机理，进行了研究。给出了激光热应力、裂纹扩展应力与照射激光强度的变化关系和研究结果。     

激光烧蚀金属元靶等离子体中电学信号的实验研究

将高功率脉冲激光作用于金属元靶,探测激光诱导等离子体在靶上产生的电学信号.研究了作用激光能量的差异对等离子体电信号的影响,实验结果表明随着激光能量的增加电信号脉冲幅度逐渐增大并趋于饱和.同时,将激光烧蚀过程中的靶材等效为瞬态电流源,初步建立了激光诱导等离子体等效电路模型,并将该模型应用于激光烧蚀金属靶,对靶上电信号的产生机制进行了详细讨论.     

激光烧蚀高纯Zn形成的微米金属球体对后续脉冲激光的耦合增强效应

脉冲激光束在低真空(约2 Pa)环境下聚焦到高纯Zn靶表面, 烧蚀区域不仅有中心深孔的宏观损伤, 而且还发现大量微米量级的类似足球形状的金属Zn球体结构附着生长在孔洞内侧表面. 实验过程中采用等离子体光谱诊断技术研究宏观和微观损伤对后续脉冲激光的影响程度. 与聚焦于金属Zn平滑表面相比, 宏观损伤可以使后续激光诱导的Zn原子334.5 nm谱线强度提高10.3%, 在此基础上大量Zn微米球体附着在内表面可以使谱线强度再提高34.3%. 因此, 推断这些金属Zn微球表面镶嵌着光洁的纳米量级六边形和五边形小平面, 可以对后续脉冲激光产生镜面反射, 使得激光能量汇聚并耦合增强, 提高烧蚀效率. 实验结果还表明, 这些微米球体的数目随着激光脉冲次数的增加而增多, 使得后续激光能够诱导产生更为致密高温的等离子体. 研究结果有望为激光-金属微孔技术提供新思路. 关键词： 脉冲激光烧蚀 微纳米结构 激光诱导等离子体     

脉冲激光烧蚀推进技术的航天应用进展

脉冲激光烧蚀推进技术具有比冲高和推力可精确控制的特点,既可用于发射有效载荷也可用于星载动力,甚至可用小行星表面物质作为推进剂使其偏转轨道,因此,在航天领域得到越来越多关注。围绕激光单级入轨发射、同步轨道和火星轨道运输;激光微推力器用于航天器姿轨控,以及激光与电组合推进;激光烧蚀操控cm级空间碎片的轨道,以及激光烧蚀操控较大尺寸碎片的姿态;激光烧蚀偏转小行星轨道等方面,对脉冲激光烧蚀推进技术在航天领域研究现状和进展,进行了系统全面地归纳和总结,并对激光平均功率、波长、脉宽和推进剂选材等关键问题,进行了详细分析。     

飞秒激光烧蚀典型金属表面产生冲击波膨胀研究

利用时间分辨阴影成像技术进行飞秒激光烧蚀金属表面研究可以直观获取飞秒激光烧蚀金属表面产生冲击波膨胀过程的图像。通过对比飞秒激光烧蚀金属铝、铜、铁靶表面的冲击波膨胀形式发现:金属铜、铁表面的冲击波均以球面波形式传播;由于受到烧蚀物质喷溅的影响,铝靶表面竖直方向的冲击波传播形式由球面波转化为柱面波。     

聚合物飞秒激光加工的分子动力学建模与仿真

通过合理选择聚合物分子结构模型和高精度势能函数,建立了聚合物飞秒激光烧蚀加工的分子动力学仿真模型,并使用该模型研究了聚乙烯和聚苯乙烯飞秒激光烧蚀加工中的激光能量辐照和扩散过程。研究结果表明:激光烧蚀加工中聚合物材料的去除方式包括单链热激发引起的表面蒸发和单链热运动引起的内部热膨胀。聚苯乙烯单链的微观变形方式包括单链的整体移动和单链自身结构的变化。聚乙烯和聚苯乙烯的分子结构差异对聚合物单链变形行为和材料去除体积等烧蚀加工结果具有显著的影响。