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。     

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。     

靶结构对烧蚀模式激光推进效应影响的数值模拟

 强激光辐照于固体平面靶产生高温、高压等离子体喷射,进而对固体靶产生力学推进效应,这是烧蚀模式激光推进的基本原理。采用针对高温气体（等离子体）电离度的一种近似计算方法,以及具有五阶精度的广义Godunov差分格式-加权本质无振荡格式WENO（Weighted Essentially Non-Oscillatory Schemes）,对强激光烧蚀固体靶产生等离子体喷射推进效应进行数值模拟。计算了固体靶面横向尺寸与激光光斑大小对推进效应影响的耦合关系,以及不同靶面结构烧蚀压力随时间的变化及其推进效应参数变化。数值模拟结果表明,靶面横向尺寸与光斑大小具有最优耦合值;固体靶面增加约束喷管结构对激光推进效应明显增大,并且随着约束喷管位置的不同,对激光推进效应增大的影响也有较大差异。     

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。     

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1.319μm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。     

纳秒激光烧蚀冲量耦合数值模拟

为研究激光烧蚀靶产生冲量过程和机理, 建立了一个复杂的一维热传导和流体动力学模型. 以空间碎片常见材料Al为例, 用建立的模型数值计算了纳秒脉宽激光烧蚀靶产生的冲量及冲量耦合系数随时间变化情况. 数值结果和已有的实验数据符合的较好. 数值计算表明: 激光脉冲时间内, 靶获得的冲量随时间迅速增加, 在脉冲时间结束后, 冲量变化随时间趋于稳定; 在冲量耦合过程中, 烧蚀等离子体向真空膨胀, 羽流尺度逐渐增大, 同时吸收入射激光能量, 导致激光与靶耦合的能量降低. 关键词： 激光烧蚀 冲量耦合 等离子体     

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。 (1. AVIC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China;2. Chengdu Fine Optical Engineering Research Center, Chengdu 610041, China)     

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。     

单脉冲飞秒激光烧蚀炸药过程的热效应研究

飞秒激光能够在极短时间内烧蚀炸药产生高温高压等离子体。可以利用飞秒激光对含能材料或含能元器件进行精密加工。深入认识飞秒激光烧蚀炸药过程中,炸药内部的热效应是发展飞秒激光加工炸药技术的基础。建立了单脉冲飞秒激光烧蚀炸药过程的流固耦合计算模型,考虑了在高温高压等离子体和炸药自热反应的共同作用下,炸药内部的热效应。对飞秒激光烧蚀TNT炸药过程进行了流体力学数值模拟。计算结果表明：TNT炸药中未烧蚀区域产生了热效应,峰值温度高于TNT炸药的点火温度,但由于炸药内热效应区域极小,高温持续时间极短,因此炸药内温度迅速下降,没有发生点火现象。     

靶与光斑尺寸对激光冲量影响的数值模拟

采用二维雷诺平均N-S方程,数值模拟研究了大气条件下短脉冲激光与固体靶相互作用所产生等离子体的动力学过程。采用k-ε两方程模型用于湍流的数值模拟,分别利用ROE格式和二阶中心格式对对流通量和粘性通量进行离散处理;用高斯-赛德尔隐式格式对方程进行时间推进求解。数值模拟给出了激光引发靶蒸气等离子体侧向膨胀、稀疏等二维流体动力学过程的物理图像,讨论了靶与光斑尺寸对脉冲激光冲量的影响。结果表明,不同宽度固体靶受到的激光冲量有很大差异,固体靶宽度越大,受到的激光冲量也越大。     

脉冲激光烧蚀Ge产生等离子体特性的数值模拟

 针对激光烧蚀半导体材料Ge初期的特点,建立了1维的热传导和流体动力学模型。对波长为248 nm、脉宽为17 ns、峰值功率密度为4×10⁸ W/cm²的KrF脉冲激光在133.32 Pa氦气环境下烧蚀Ge产生等离子体的特性进行了数值模拟。结果表明：单个激光脉冲对靶的烧蚀深度达到55 nm,蒸气膨胀前端由于压缩背景气体产生压缩冲击波, 波前的速度最大,温度很高。从不同时刻的电离率分布图中得出,在靶面附近区域,Ge的1阶电离始终占优势;在中心区域,脉冲作用时间内,Ge的2阶电离率比1阶电离率大,脉冲结束后,Ge的2阶电离率下降,1阶电离率逐渐变大。     

脉冲激光烧蚀Ge产生等离子体特性的数值模拟

针对激光烧蚀半导体材料Ge初期的特点,建立了1维的热传导和流体动力学模型。对波长为248 nm、脉宽为17 ns、峰值功率密度为4×108 W/cm2的KrF脉冲激光在133.32 Pa氦气环境下烧蚀Ge产生等离子体的特性进行了数值模拟。结果表明：单个激光脉冲对靶的烧蚀深度达到55 nm,蒸气膨胀前端由于压缩背景气体产生压缩冲击波, 波前的速度最大,温度很高。从不同时刻的电离率分布图中得出,在靶面附近区域,Ge的1阶电离始终占优势;在中心区域,脉冲作用时间内,Ge的2阶电离率比1阶电离率大,脉冲结束后,Ge的2阶电离率下降,1阶电离率逐渐变大。     

飞秒激光烧蚀金属靶的冲击温度

在明确飞秒激光与物质相互作用过程冲击温度概念的基础上, 讨论了飞秒激光烧蚀铝靶和铜靶过程中的冲击温度与其他物理量的关系, 利用飞秒激光烧蚀金属的双温模型提取了冲击温度的绝对值, 基于非傅里叶热传导模型计算了冲击温度的分布. 此项研究结果对飞秒激光安全加工含能材料有借鉴意义. 关键词： 飞秒激光 含能材料 烧蚀 冲击温度     

吸气式激光推进中激光能量沉积过程的数值模拟

结合辐射输运方程,在流体力学方程组的能量方程中加入包括空气吸收的激光能量以及高温气体向周围辐射损失的能量源项,转化为辐射流体力学方程组,建立了用于模拟吸气式激光推进中能量沉积过程的物理力学模型和计算方法。该辐射流体力学计算程序可以很好地模拟激光能量沉积过程中空气对激光能量的吸收、等离子体对激光的屏蔽作用以及激光维持的爆轰波的传播规律,计算得到激光能量的沉积效率约为57%,激光维持的爆轰波的传播速度与同等条件下的理论和实验结果吻合得较好。     

Numerical simulation of the transient multiphase field during plasma deposition manufacturing composite materials

A solid/liquid/gas unified model has been developed to investigate the gradient composition formation during the plasma deposition manufacturing (PDM) composite materials process. In this model, an enthalpy porosity model was applied to deal with the melting and solidification of the deposited layer, and a level-set approach was introduced to track the evolution of the free surface of the molten pool and the deposited layer. Moreover, complicated physical phenomena occurring at the liquid/gas interface, including forced convection heat loss, heat emission and plasma heat source, have been incorporated into the governing equations by source terms. In this study, the numerical experiment of nickel base alloy powder deposited on the medium steel substrate by PDM technique was implemented based on the staggered grid and SIMPLEC algorithm. Concentration gradient distribution of the solute material at the composite material interface, fluid flow and temperature distribution in the molten pool and the deposited layer have been investigated in detail. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 50474053) and the High Technology Research and Development Program of China (Grant No. 2007AA04Z142)