强激光破坏机制研究进展

本文对强激光造成靶材破坏机理进行了评述，将激光破坏机理在Ｉ－ｒ平面内分为冲击破坏、热烧蚀破坏和非熔化条件下的热应力破坏三个区域，并分别对各区激光－靶材相互作用过程及破坏方式进行了评述，给出了国内外的最新研究成果及研究展望。     

1．06μm连续Nd-YAG激光辐照45^#钢靶实验研究

开展了1．06μm连续Nd—YAG激光辐照45^#钢靶的温升效应、反射率测量的实验研究。发现靶背面中心温度升到约400℃时出现拐点；连续激光作用钢靶片过程的初始阶段反射率变化微弱，对于厚1mm钢靶片，当温度升到400℃左右时反射率开始随温度升高而减小，该转折点与温度曲线出现的拐点相一致；温度升高导致的金属电导率减小和靶材表面氧化及其后的正反馈过程是材料反射率随温度升高而减小的原因。     

用PVDF实时测量激光诱导的冲击波压力

本文用自己研制的ＰＶＤＦ（ｐｏｌｙｖｅｎｙｌｉｄｅｎｆｌｕｏｒｉｄｅ）压电传感器测量了０．２ｍｍ厚铝和２．０８ｍｍ厚Ｔ３００／环氧复合材料中激光诱导的冲击波压力，首次获得了这些材料中激光冲击波压力的时间演化波形。实验在中国科大强激光实验室的ＹＡＧ脉冲激光器上进行，激光波长１．０６μｍ，脉宽３３ｎｓ，靶面平均功率密度为１０９Ｗ／ｃｍ２量级。从所得数据估计了表面入射压力，其值与已有结果符合良好。实验结果证实，ＰＶＤＦ压电传感器频响高，量程宽，多次使用重复性好，可有效应用于激光冲击波压力的实时测量     

强脉冲激光束引起圆柱壳动屈曲破坏的理论估算

1 引言研究强激光对靶材破坏的机理,主要目的在于确定破坏阈值.高强度短脉冲激光束辐照靶材时,靶面物质由于汽化、电离向外喷射对靶材产生反冲冲量,高速冲击可能引起材料层裂等早期材料破坏效应以及由于大变形和大应变而产生的后期结构破坏效应,结构破坏阈值一般比材料破坏阈值低.本文先假设一均匀的强脉冲激光束辐照到铝材料的圆柱壳体时,壳体将受到一余弦分布的脉冲载荷,然后根据Andcrson 的假设认为壳体的变形达到某一临界值时,就会     

聚能射流侵彻径向扩孔的可压缩模型

聚能射流侵彻厚靶时,对靶材同时进行轴向和径向挤压进而发生轴向侵彻和径向扩孔。本文中基于聚能射流侵彻可压缩模型并结合Szendrei-Held扩孔方程,推导给出考虑弹/靶材料可压缩性的聚能射流扩孔方程。为简化完整可压缩模型繁琐的计算过程,又基于Murnaghan状态方程给出可压缩模型的近似解。与水中聚能射流扩孔的实验研究对比分析,表明该模型预测优于Szendrei-Held扩孔方程。模型分析表明,射流半径、驻点压力、靶材强度、驻点处靶材密度以及聚能射流速度是影响聚能射流扩孔的主要因素。本文模型可以更准确地预测聚能射流侵彻可压缩性较强的靶材的扩孔情况。相关工作可为含液密闭结构干扰聚能射流侵彻提供理论基础。     

抛物面型激光推力器的热力冲击响应

通过实验、机理分析和数值模拟系统地分析了大气模式激光推进中抛物面型推力器的热力冲击问题。在分析激光推进中存在的4种热载荷（入射、辐射、透射和运流）的基础上,建立了相应的热力耦合动态计算方法。多脉冲推进的计算温升与实验结果吻合。计算表明,入射吸收和高温辐射是造成抛物面型激光推力器温升的主要原因,并预测推力器在熔化前首先发生拉伸破坏,揭示了激光推进中热力冲击破坏的机理和严重性。     

爆速对爆炸焊接铝/不锈钢复合管界面及结合性能的影响

通过在粉状乳化炸药中添加不同比例的密度调节剂,配制了爆速范围为1 450~2 550 m/s的低爆速炸药;采用该爆速炸药进行了铝/不锈钢复合管爆炸焊接实验,结合最小碰撞速度理论,对实验结果及其界面微观结构和结合强度进行了测试和分析,确定该复合管爆炸焊接的合适爆速约为1 950~2 150 m/s,其结合质量能够满足后续加工要求;同时发现界面由介于直线与波形之间的波状形态组成,且呈现不太规则的扁平波状结合,经分析,炸药爆速、复合管的爆炸焊接环境和爆炸产物飞散条件对界面结合波形及熔化层厚度有很大影响。     

折射式激光多普勒测速系统

为了测量透明物体横向运动时的位移速度,提出了一套基于激光外差干涉技术的折射式激光多普勒测速系统,并对该系统所采用的多普勒效应测速方法进行了研究。首先,通过外差干涉系统使测量光与参考光发生干涉,利用信号探测系统探测它们合光束光强变化波形。然后,使用信号分析软件分析此波形,得到合光束的拍频,即测量光与参考光的频率之差。最终,利用此拍频值进行理论计算,求出垂直于探测光方向匀速运动时三棱镜样品的位移速度,并分析了整个系统的测量误差。实验结果表明,对20μm/s、80μm/s、140μm/s、200μm/s等给定的位移速度,该系统的速度测量误差不超过1.5%。测量结果具有良好的可重复性,证实了该系统的有效性与可靠性。实验系统原理简单,输出信号信噪比较高,测量精度高,具有广泛的适用性。     

激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的动态力学性能及其本构关系

为了开展激光选区熔化（SLM）增材制造钛合金的动态力学性能研究,分别采用热模拟材料试验机、分离式霍普金森压杆装置对激光选区熔化钛合金在不同温度下进行了准静态和动态压缩实验,并基于实验结果拟合Johnson-Cook本构模型,同时对钛合金在高温、高应变率下的力学行为进行了有限元模拟。结果表明,相对于铸造或锻造钛合金,激光选区熔化钛合金具有更细小、均匀的组织,使其屈服强度有明显的提升,且表现出明显的应变率强化效应和热软化效应。有限元模拟结果与实验有着较高的重合度,进一步验证了本构参数的有效性,为扩大激光选区熔化技术及其产品的应用提供了理论基础。     

研磨抛光表面微孔织构的影响因素分析

表面织构是一种改善摩擦学性能的有效手段.通过研磨抛光方法开发了一种新型表面织构技术,此表面织构的特点是表面微孔成型和抛光过程同步进行.同时利用此织构技术着重研究了研磨时间(0~120 min)、研磨速度(1.45~10.47 m/s)、研磨液质量分数(1%~15%)对织构参数(微孔面积密度、孔径分布及表面粗糙度)的影响规律.结果表明:表面微孔面积密度随着研磨时间增长而逐渐下降并最终趋于稳定;当研磨速度从1.45~10.47 m/s变化时,微孔面积密度从2.59%增至16.92%,微孔孔径及表面粗糙度随着研磨速度的增加而增加,当研磨速度低于2.09 m/s时容易获得10μm以下的微孔;当研磨液质量分数从1%~15%变化时,微孔面积密度从3.76%~11.70%变化,近似呈线性增加关系,质量分数高于9%时易于获得10μm以上孔径的分布表面.     

缺陷介质切槽爆破断裂行为的动焦散线实验

利用数字激光动态焦散线实验系统,对含缺陷介质在切槽爆破和普通炮孔爆破中爆生裂纹的断裂行为进行对比研究。结果表明,切槽爆破中沿切槽方向起裂的主裂纹比非切槽方向早10 μs,有利于能量优先沿切槽方向释放;切槽方向主裂纹的起裂韧度为0.58 MN/m3/2,其裂纹扩展的平均速度为277 m/s,分别是普通爆破时主裂纹相应值的54%和86%;当切槽方向主裂纹与缺陷介质贯通后,为爆生气体提供了足够的膨胀空间,诱导爆生气体向预制裂纹两端释放,翼裂纹起裂以Ⅰ型拉伸破坏为主,并在裂纹扩展的60~250 μs内,Ⅰ型动态应力强度因子保持在0.6~0.8 MN/m3/2,形成了明显的平台,延缓了翼裂纹扩展速度的衰减,最终较普通炮孔翼裂纹扩展时间和扩展长度分别增加了22.7%和17.8%。     

多次激光冲击导致的Ti17合金层裂

为研究激光冲击Ti17合金中厚样品的层裂特性和层裂阈值,对样品（厚5 mm）表面进行单点连续1~8次激光冲击,激光工艺参数为:频率1 Hz,脉宽15 ns,激光能量30 J,方形光斑4 mm×4 mm。采用白光干涉仪、超声波无损检测技术和扫描电镜,分析和检测中厚样品冲击区域的表面形貌、内部损伤以及层裂形貌。实验结果表明,连续从4次到5次激光冲击中厚样品的表面凹坑深度增加值最大为64.5%。连续5次激光冲击为中厚样品层裂阈值,层裂面积随冲击次数增加而增加。连续5~8次激光冲击中厚样品层裂厚度的实验值为280~310 μm。层裂机理为韧性微孔洞的形核、增长和汇合,形成晶界失效和晶内失效。研究结果可为激光冲击强化整体叶盘改性提供工艺参考。     

石墨烯与柔性基底界面载荷传递的拉曼光谱实验

本文研究了CVD制备的大尺寸石墨烯与柔性PET基底在拉伸变形过程中切向界面载荷传递的问题,采用原位拉曼光谱实验给出了加载过程中石墨烯的正应变、正应力以及界面切应力的分布曲线。分析表明,石墨烯与PET基底间的载荷传递存在四个阶段,分别是初始阶段、粘附阶段、滑移阶段和界面脱粘破坏阶段。在此基础上,本文对50μm、140μm、270μm和600μm四种尺寸石墨烯试件的界面力学性能进行测量,得到了不同尺寸石墨烯试件的界面力学性能参数,并初步给出了基底变形引起的石墨烯切向界面粘接能的变化,同时分析了试件尺寸对石墨烯界面力学性能的影响。实验结果表明,石墨烯材料和柔性基底最大切应力与临界脱粘切向界面粘接能等界面强度指标受到尺寸的显著影响,尺寸越小切向界面强度越高,反之,尺寸越大则越低。     

机抖激光陀螺方波驱动方式的谐波分析

针对方波驱动方式下机械抖动激光陀螺抖动幅度控制的问题,对机抖陀螺抖动的稳态幅度和驱动信号的维持时间之间的关系进行了研究。分析了某型机抖激光陀螺抖动机构的工作特性,通过谐波分析法证明了方波驱动波形在驱动效果上可以近似的由其一次谐波来等效进行分析,得出了方波驱动方式下抖动稳态幅度与方波驱动信号维持时间之间满足正弦函数关系的结论。分析了某型机抖激光陀螺实际驱动信号波形,证明了实际情况下上述结论的有效性;通过仿真对文中的结论进行了验证。     

基于光学读出的微悬臂梁温度传感器研制

为实现对环境温度的高分辨率、快速、准确测量,设计制作了一种基于光学读出的微悬臂梁温度传感器.由于组成微悬臂梁的两种材料——金和氮化硅热膨胀系数的差异,在温度变化时,梁内部会产生热应力导致其弯曲变形.不同温度下梁的弯曲变形量不同,利用光杠杆方法检测出此变形,经标定后就能实现环境温度的准确测量.实验中设定系统光臂长度为25mm,采用商业化三角形微悬臂梁(长200μm、宽40μm、氮化硅层厚0,6μm,金层厚60nm)对传感器进行了测试,实验结果显示其测量重复性好,温度分辨率达到0.02℃.对于特定尺寸的微悬臂梁,通过优化其双材料厚度比,温度分辨率可达10-4℃,可用于环境温度的精密测量.     

圆柱形钨破片撞击铝靶时的跳飞临界角

采用理论计算、数值模拟与实验相结合的方法,研究了直径5.7 mm、长6.7 mm的圆柱形破片以800~1 200 m/s的速度撞击2~10 mm厚铝靶时的跳飞特性。建立了破片斜侵彻有限厚靶板的跳飞临界角理论模型,计算得到破片跳飞临界角与破片入射速度、靶板厚度的关系,并与模拟值、实验值对比,三者吻合较好。结果表明:破片撞靶速度相同时,随着靶板厚度的增加,破片的跳飞临界角减小。靶板厚度相同的情况下,在所计算的速度范围内,入射速度越大,破片跳飞临界角越大。速度在800~1 200 m/s时,破片撞击2 mm厚靶板的跳飞临界角为81°~81.25°;撞击4 mm厚靶板的跳飞临界角为72.5°~76.25°。     

细长薄壁弹体的屈曲和靶体等效分析

利用金属靶开展动能深侵彻弹的穿甲屈曲实验研究。实验观察到长/短型弹体动塑性屈曲破坏分别表现为轴向皱褶型和轴向外翻撕裂型2种基本模式。不同的屈曲破坏模式与弹体几何、撞击初条件以及靶材等密切相关。区别于刚性尖头弹穿甲金属靶的韧性隧道开孔,尖头弹因屈曲破坏易变形为钝头形,导致弹体穿透靶板表现为挤凿穿甲。利用薄壁中空柱壳的弹性欧拉屈曲分析和弹体塑性屈服的极限分析给出弹体动塑性屈曲的临界条件。同时给出屈曲实验中混凝土靶和金属靶的等效条件。     

在很短的压力脉冲作用下炸药的引爆特性

我们用电爆炸箔驱动塑料飞片进行实验。以电容器为能源,回路参数为电阻R=18mΩ,电容C=9μf,电感L=180nH,周期T=8μs。箔桥是由敷铜板光刻而成的,箔桥的长、宽、厚分别为3、3、0.015mm。     

光学读出非制冷红外成像的最新进展

针对以前红外成像中红外图像的噪声等效温度差（NETD）较大和空间分辨率不高的问题，本文在制作工艺改善的基础上，设计了一个单元尺寸分别是50μm×50μm和60μm×60μm的红外焦平面阵列（FPA），它是由0．5μm厚的SiNX和0．2μm厚的Au构成的双材料微悬臂梁阵列构成。微梁单元倾斜角的变化利用在谱平面刀口滤波的光学方法测量。FPA是利用基于体硅的表面微加工工艺制作的，利用制作的FPA的60μm×60μm单元区域和12bit CCD，得到了室温物体的热像。讨论了60μm×60μm单元区域的性能，给出了NETD在100mK左右。和以前的工作相比，红外图像的温度分辨率和空间分辨率都得到了明显改善。     

强角闪石化橄榄二辉岩的动态拉伸强度实验研究

对强角闪石化橄榄二辉岩的动态拉伸断裂强度进行了实验研究。设计了能在样品中产生持续时间大约为1.5 s拉伸应力脉冲的平板冲击回收实验。通过对回收样品的宏观和微观观察,确定了样品出现拉伸破坏开始阶段以及破坏裂纹的扩展阶段,进而确定了该岩石样品的动态拉伸强度约为265.6~315.3 MPa。同时,基于线弹性近似,导出了在一维应变条件下样品内拉伸应力和作用时间的估算公式。