直流双管式电弧等离子体发生器性能研究

利用实验手段研究了双管式电弧等离子体发生器的特性,包括旋流进气特性、伏安特性和运行热效率等,建立了基于双管式电弧等离子体发生器的数学模型。结果表明,旋流流速对电极烧蚀速率有较大影响,电弧电压降和发生器热效率随电流增加而下降,发生器热效率随气流量增大而增大。根据相似理论建立的数学模型能够准确模拟等离子体发生器的负电弧动态电阻伏安特性。以上研究可为大功率、长寿命双管式电弧等离子体发生器的开发及其在材料制备和环境保护领域的应用提供参考。     

增强纤维材料高温烧蚀-相变特性的细观研究

通过高温环境下多种纤维材料的体积烧蚀机理的分析,利用细观力学的 Eshelby等效夹杂方法研究了材料烧蚀-相变特性和高温力学性能变化规律.假设材料体积烧蚀后热解相（真空）和氧化相（空气）介质统计均匀分布,考虑了热化学反应产生的气孔与固体相介质之间的相互作用,预报了不同纤维材料弹性模量随温度、加温速率之间的变化关系,并与实验结果对照,吻合较好.     

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。     

超短脉冲激光烧蚀石墨产生的喷射物的时间分辨发射光谱研究

本文使用不同激光能流(18 J/cm²–115 J/cm²)和脉冲宽度(50 fs–4 ps)的超短脉冲激光在真空中(4×10^-4 Pa)烧蚀高定向热解石墨. 通过测量烧蚀喷射物的时间分辨发射光谱研究喷射物的超快时间演化. 在喷射物发射光谱中, 观察到了C₂基团的天鹅带光谱系统, 416 nm附近C₁₅基团的由电子能级¹Σ_u⁺ 和¹Σ_g⁺之间的振动跃迁产生的光谱峰以及连续谱. 50 fs, 115 J/cm²的脉冲激光烧蚀产生的喷射物的连续谱的强度衰减分为快速下降和慢速下降两个阶段(以20 ns时间延迟为分界). 这表明连续谱是由两种不同的组分贡献的. 快速下降阶段, 连续谱主要由碳等离子体通过韧致辐射产生; 慢速下降阶段, 连续谱主要由烧蚀后期产生的大颗粒碳簇的热辐射贡献. 实验结果还揭示了激光能流的提高, 会明显增加喷射物中碳等离子体和激发态C₂的含量, 但对质量稍大的C₁₅的影响较小; 此外, 50 fs脉冲激光烧蚀产生的连续谱的存在时间会随着激光能流的减小而增大, 这说明低能流更有利于在烧蚀后期产生碳簇. 脉宽主要影响喷射物连续谱的时间演化. 4 ps脉冲激光烧蚀产生的连续谱的整个时间演化过程明显慢于50 fs脉冲产生的连续谱.     

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。     

高超声速再入体表面热解烧蚀效应数值模拟

表面防热材料热解与烧蚀效应研究在高超声速飞行器总体设计中具有重要应用价值。以热解烧蚀效应对飞行器目标特性及通信性能影响的预测评估为背景,从化学非平衡气体动力学方程及固体热传导方程出发,建立了气-固交界面上热解烧蚀壁面边界条件的一般形式及热物理化学模型,发展了高超声速再入体绕流流场与表面材料内部温度场耦合求解的数值模拟方法,并对计算模型和数值方法的可靠性进行了验证分析。在此基础上针对复杂外形再入体及表面硅基防热材料,开展了典型再入条件下再入体绕流及尾流流场的数值模拟,重点分析了表面材料热解烧蚀效应对流场等离子体分布的影响。研究表明：在表面材料中不含碱金属杂质的情况下,热解与烧蚀效应对流场中等离子体分布影响较小,而在含有微量碱金属杂质的情况下,热解与烧蚀效应对流场中等离子体分布及化学组分分布具有很大影响,由此对再入目标特性与电磁通信性能带来的影响不容忽视。     

六相交流放电再入飞行器热环境地面模拟研究

再入飞行器高速飞行过程中,其表面受到强烈的气动加热作用,所产生的复杂高温气体环境会破坏飞行器材料,影响飞行器结构的可靠性.因此,基于地面装置实现高速飞行器再入过程中表面热环境的模拟,对于再入飞行器的热防护测试具有十分重要的意义.文章基于数值模拟,分析了工作气压的变化对等离子体中非平衡能量输运过程以及等离子体气体温度等参数的影响规律,提出了通过改变工作气压来调节等离子体冲击壁面的热流密度的方法.基于此,首先以表面热流密度和加热时间与真实飞行条件下一致为原则,基于六相交流电弧放电等离子体实验平台,产生了大体积、高气体温度,且壁面热流密度可调的等离子体电弧射流.然后,对采用酚醛浸渍基碳热防护材料的烧蚀体进行了地面烧蚀实验,在壁面热流密度为1.07～3.95 MW/m2范围内获得了与文献报道吻合较好的实验结果,初步验证了该方法的可行性.对高速再入飞行器典型部件进行了烧蚀实验,在壁面最高热流密度为5 MW/m2的实验条件下,获得了与空间飞行实验吻合良好的地面模拟实验结果.这表明在不采用高成本风洞的前提下,本论文所提出的地面模拟实验方法可在一定程度上模拟飞行器再入过程中的表面热环境.     

Cu/La2NiO4电接触材料的制备及电弧烧蚀性能研究

解决铜基触点材料因易氧化而生成不导电物质导致触点失效的关键在于提高材料的导电性能,基于导电陶瓷La₂NiO₄因其具有导电性能,论文采用溶胶凝胶法制备获得了导电陶瓷La₂NiO₄粉体,用粉末冶金法制备出致密Cu/La₂NiO₄复合材料并进行微观形貌观察和物相分析。经过电弧烧蚀后,观察表面烧蚀形貌,探讨氧化层的微观组织,并进行温升测试。研究结果表明,电弧烧蚀后的Cu/La₂NiO₄复合材料表面有裂纹并且触点表面有多种侵蚀形貌特征并存,氧化层可能因接触力的作用而脱落以提高导电性能。本论文的研究工作表明,采用铜掺杂导电陶瓷La₂NiO₄的方法,可以有效提高电触点材料电弧烧蚀后的导电性。     

ClCu(η^2-O~2)与ClCuNN分子的基质隔离红外光谱和 理论研究

激光烧蚀CuCl~2或CuCl靶的产物与O~1或N~2共同沉积在11K的Ar基质中,在1175.0cm^-^1(O~2/Ar)和2296.3cm^-^1(N~2/Al)处观察到了新的红外吸收。通过同位素取代实验以及量子化学计算,可将1175.0cm^-^1归属为ClCu(η^2-O~2)的O－O伸缩振动,而将2296.3cm^-^1归属为ClCuNn的N－N伸缩振动。ClCu(η^2-O~2)和ClCuNN这两种新型配合物的确证,为进一步研究含O~2,N~2的过渡金属配合物提供了一种模型分子。     

激光烧蚀La~2O~3产生的等离子体的发光光谱研究

用发光光谱法研究了355nm脉冲激光在真空和O~2气氛中烧蚀La~2O~3产生的等离子体的组成和形成过程。对等离子体中La^+离子和LaO的空间和时间分辨发光光谱分析表明,在O~2气氛中LaO有两个生成通道:一是在靶附近的等离子体内直接生成的,另一是由La,La^+与O^2发生氧化反应而生成的。测定了激光能量密度,离靶表面的距离和O~2压力对产物发光的延迟时间和发光强度的影响。此外,还讨论了激光烧蚀La~2O~3诱导产生等离子体的形成和演化机理。