激光輻照效應(yīng)

1、簡(jiǎn)介切向氣流作用下，連續(xù)波激光對(duì)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的輻照效應(yīng)研究目前還不夠深入。本文對(duì)該問(wèn)題開(kāi)展實(shí)驗(yàn)、理論和數(shù)值模擬研究，將空氣氣流、氮?dú)鈿饬骱蜔o(wú)氣流狀態(tài)下的輻照效應(yīng)進(jìn)行比較，以分析空氣氣流的作用。將激光功率密度設(shè)定為 205W/cm2。吹空氣氣流時(shí)，氣流速度分別設(shè)置為0.11Ma、0.23Ma、0.31Ma、0.4Ma、0.5Ma、0.65Ma和0.8Ma；吹氮?dú)鈿饬鲿r(shí)，氣流速度分別設(shè)置為0.11Ma、0.23Ma、0.31Ma和0.4Ma。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，得出合理的初步驗(yàn)證。1背景及意義1.1 復(fù)合材料在無(wú)人機(jī)上的應(yīng)用復(fù)合材料是由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料通過(guò)不同的工藝方法結(jié)合而成的一

2、種多相材料，主要組分是增強(qiáng)材料和基體材料。復(fù)合材料不僅保持了增強(qiáng)材料和基體材料本身的優(yōu)點(diǎn)，而且通過(guò)各相組分性能的互補(bǔ)和關(guān)聯(lián)，可以獲得更優(yōu)異的性能1。在復(fù)合材料家族中，纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料占有重要地位。這類(lèi)復(fù)合材料的增強(qiáng)材料是各類(lèi)纖維，例如碳纖維、玻璃纖維、硼纖維和芳綸纖維等，基體材料是樹(shù)脂，例如環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、有機(jī)硅和聚酯等2。這類(lèi)復(fù)合材料因其優(yōu)異性能在無(wú)人機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用。在無(wú)人機(jī)上使用纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)是多方面的。這類(lèi)材料的密度比常用金屬材料小很多，可以有效減輕機(jī)體質(zhì)量；具有優(yōu)異的可設(shè)計(jì)性，可根據(jù)飛機(jī)的強(qiáng)度和剛度要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；具有良好的耐腐蝕性，可滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)在惡劣環(huán)境

3、下長(zhǎng)壽命的特殊要求，降低維護(hù)成本；易于植入芯片或合金導(dǎo)體，形成智能材料、結(jié)構(gòu)；其中的聚合物基復(fù)合材料具有特殊的電磁性能，適當(dāng)設(shè)計(jì)可滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)/功能一體的高隱身技術(shù)要求3。纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的應(yīng)用對(duì)無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化、小型化和高性能化起到了至關(guān)重要的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)今世界上各種先進(jìn)的無(wú)人機(jī)，復(fù)合材料的用量一般占機(jī)體結(jié)構(gòu)總重的60%80%，甚至高達(dá) 90%以上4。例如，美國(guó)諾斯羅譜·格魯門(mén)公司為美空軍研制的“全球鷹”高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人偵察機(jī)，除機(jī)身主結(jié)構(gòu)為鋁合金外，其余（包括機(jī)翼、尾翼、后機(jī)身、雷達(dá)罩和發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩等）均由碳纖維/環(huán)氧、玻璃纖維/環(huán)氧和芳綸纖維/環(huán)氧復(fù)合材料等制成，復(fù)合

4、材料的用量約占結(jié)構(gòu)總重的 65%，其中長(zhǎng)達(dá) 35m 的機(jī)翼由Cytec公司提供的高模碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料制造5。1.2 美國(guó)的激光反無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，無(wú)人機(jī)的作用非常突出。無(wú)人機(jī)具有無(wú)人駕駛、體積小、造價(jià)低和戰(zhàn)場(chǎng)生存力強(qiáng)等特點(diǎn)，可用于完成偵察、監(jiān)視、通信中繼、電子干擾和攻擊等任務(wù)6，已經(jīng)越來(lái)越多地投入了實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)。如何有效攔截?zé)o人機(jī)，這是各軍事大國(guó)都很關(guān)注的問(wèn)題。利用高能激光束來(lái)攔截，具有攻擊速度快、命中精度高、火力轉(zhuǎn)移快、抗電磁干擾及效費(fèi)比高等優(yōu)點(diǎn)7。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，高能激光武器技術(shù)取得了很大進(jìn)展，激光反無(wú)人機(jī)已經(jīng)具備了現(xiàn)實(shí)可能性。2010 年 5 月，在加利福尼亞州沿海，由雷神公司研制

5、的艦載激光武器系統(tǒng)在戰(zhàn)艦雷達(dá)的導(dǎo)引下，向距離戰(zhàn)艦大約 3.2 公里、以 480 公里時(shí)速飛行的 4 架無(wú)人機(jī)射擊，無(wú)人機(jī)在被擊中之后的數(shù)秒之內(nèi)著火墜落，圖 1.1 給出的是無(wú)人機(jī)被激光擊中著火后的視頻截圖。這套激光武器系統(tǒng)使用了 6 套固態(tài)激光設(shè)備，合成一束高能激光發(fā)射出去。據(jù)分析，該激光武器系統(tǒng)有望于 2016 年投入實(shí)用8。圖 1.1 無(wú)人機(jī)被激光擊中著火1.3 研究意義激光武器對(duì)目標(biāo)的毀傷是通過(guò)定向發(fā)射的激光束與目標(biāo)的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。目標(biāo)上被輻照區(qū)域的材料吸收激光能量后，發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致相關(guān)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的變化，最終導(dǎo)致目標(biāo)的毀傷。因此，研究激光武器對(duì)目標(biāo)的毀傷機(jī)理，首先需要針對(duì)目標(biāo)上的

6、材料，研究激光輻照下材料的變化，即激光對(duì)材料的輻照效應(yīng)。為了評(píng)估美軍激光武器反無(wú)人機(jī)的實(shí)戰(zhàn)可能性，需要研究激光對(duì)無(wú)人機(jī)的毀傷機(jī)理。由于戰(zhàn)斗機(jī)和無(wú)人機(jī)上大量使用了纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料9-11，因此，需要研究激光對(duì)這類(lèi)復(fù)合材料的輻照效應(yīng)。環(huán)境條件（例如切向氣流、真空等）對(duì)激光與物質(zhì)相互作用過(guò)程有重要影響。無(wú)人機(jī)在大氣中飛行時(shí)，表面存在切向氣流。因此，本文研究切向氣流作用下激光對(duì)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的輻照效應(yīng)。本文研究成果還可應(yīng)用于復(fù)合材料抗激光加固技術(shù)的研究，從而提高我國(guó)的無(wú)人機(jī)在激光攻擊環(huán)境下的生存能力。2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)2.1實(shí)驗(yàn)裝置圖2.1實(shí)驗(yàn)裝置圖實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖2.1。半導(dǎo)體激光器發(fā)出

7、的 976nm 激光經(jīng)空間并束輻照到靶板上，氣流平行流過(guò)靶板前表面。各主要設(shè)備或儀器的作用說(shuō)明如下：通光光閘：控制激光對(duì)樣品的輻照時(shí)間。光電探測(cè)器 1：接收從靶板前表面反射的激光能量，以確定激光輻照樣品的起止時(shí)間和輻照過(guò)程中樣品對(duì)入射激光反射率的變化。光電探測(cè)器 2：接收透過(guò)樣品、被置于樣品之后的漫反屏反射的激光能量，以監(jiān)測(cè)樣品對(duì)入射激光透射率的變化。熱電偶：測(cè)量樣品后表面典型位置處的溫度變化。記錄儀：同步記錄熱電偶、光電探測(cè)器 1 和光電探測(cè)器 2 的信號(hào)。攝像機(jī)：記錄樣品前表面的動(dòng)態(tài)變化。為防止反射的激光導(dǎo)致攝像機(jī)飽和，在鏡頭前安裝了短波通濾光片，800nm 以上透過(guò)率很低。激光筆：當(dāng)通光

8、光閘打開(kāi)時(shí)，激光筆的投射點(diǎn)處于攝像機(jī)的視野內(nèi)，便于在攝像機(jī)的視頻信號(hào)中確定激光開(kāi)始輻照的時(shí)刻。2.2試驗(yàn)樣品實(shí)驗(yàn)針對(duì)兩種樣品進(jìn)行，即碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料樣品和玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料樣品，分別簡(jiǎn)稱(chēng)為碳纖維樣品和玻璃纖維樣品。樣品加工成平板形狀。碳纖維樣品的尺寸為 70.0mm×70.0mm×3.0mm，玻璃纖維樣品的尺寸為 70.0mm×70.0mm×2.0mm。兩種樣品的基體均由 E-51 環(huán)氧樹(shù)脂和二乙烯三胺固化劑按 92:8 的質(zhì)量配比混合而成。碳纖維樣品采用注射成型工藝制成，碳纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為 60.0%；玻璃纖維樣品采用層貼法工

9、藝制成，玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為66.0%。圖2.2 給出了弱光下兩種樣品的反射率譜和透射率譜?？梢钥闯?，對(duì)于 976nm 激光，兩種樣品的反射率和透射率相差很大：碳纖維樣品的反射率約為 8.4%，透射率幾乎為零，即 91.6%的激光能量會(huì)被吸收；玻璃纖維樣品的反射率約為 40.9%，透射率約為 14.7%，即44.4%的激光能量會(huì)被吸收?；谶@些測(cè)量數(shù)據(jù)，在數(shù)值模擬時(shí)，對(duì)于吸收的激光能量，對(duì)碳纖維樣品按面熱流加載，對(duì)于玻璃纖維樣品按分布的體熱源加載。（a） 碳纖維樣品（b） 玻璃纖維樣品圖2.2 兩種樣品的反射率譜和透射率譜實(shí)驗(yàn)中用K型熱電偶（直徑約 0.1mm）記錄樣品后表面典型位置處的溫度

10、。為固定熱電偶，在測(cè)溫點(diǎn)鉆了深度約 0.10.2mm 的小孔，再用 E-51 環(huán)氧樹(shù)脂將熱電偶的頭部固定在小孔內(nèi)。圖 2.3 給出了熱電偶在實(shí)驗(yàn)樣品后表面的位置示意圖。以樣D(25.0mm, 35.0mm)、C(35.0mm, 35.0mm)和 U(45.0mm, 35.0mm)。、分別為英文單詞 Down、Central 和 Up的首字母，表示了以氣流流動(dòng)方向?yàn)閰⒖?，三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的相對(duì)位置。圖2.3熱電偶位置示意圖（S 為光斑中心）3大氣氣流速度的影響在考察氣流速度對(duì)輻照效應(yīng)的影響時(shí)，將激光功率密度設(shè)定為 205W/cm2。吹空氣氣流時(shí)，氣流速度分別設(shè)置為 0.11Ma、0.23Ma、0.31

11、Ma、0.4Ma、0.5Ma、0.65Ma和 0.8Ma；吹氮?dú)鈿饬鲿r(shí)，氣流速度分別設(shè)置為 0.11Ma、0.23Ma、0.31Ma 和 0.4Ma。3.1 損傷形貌圖3.1給出了空氣氣流速度分別為 0.11Ma、0.31Ma、0.5Ma 和 0.8Ma 時(shí)，輻照后樣品前、后表面的損傷形貌?？梢钥闯?，總體而言，隨著氣流速度的增大，輻照區(qū)的碳纖維斷裂越明顯；氣流下游樹(shù)脂發(fā)生熱分解的區(qū)域逐漸縮小；固定熱電偶的樹(shù)脂材料的變化越不明顯。攝像機(jī)的視頻信號(hào)表明，空氣氣流時(shí)均發(fā)生了燃燒；氣流速度越大，輻照區(qū)的紅色亮斑在停止輻照后持續(xù)時(shí)間越短，表明氣流的冷卻作用越明顯。圖3.1不同空氣氣流速度下的損傷形貌（激

12、光205W/cm2）圖3.2給出了氮?dú)鈿饬魉俣确謩e為 0.11Ma、0.23Ma、0.31Ma 和 0.4Ma 時(shí)，輻照后樣品前、后表面的損傷形貌?？梢钥闯觯姆N氣流速度下，輻照區(qū)的碳纖維均未明顯燒蝕；下游表面的樹(shù)脂材料均發(fā)生了輕微的熱分解。攝像機(jī)的視頻信號(hào)表明，四種氣流速度下，均未發(fā)生燃燒；氣流速度越大，輻照區(qū)的紅色亮斑在停止輻照后持續(xù)時(shí)間越短。圖3.2不同氮?dú)鈿饬魉俣认碌膿p傷形貌（激光 205W/cm2）3.2質(zhì)量損失圖3.3給出了兩種氣流狀態(tài)下，質(zhì)量損失隨氣流速度的變化。注意，這種情況下的燒蝕率與質(zhì)量損失之間只差一常數(shù)，因此不再給出燒蝕率。可以看出，質(zhì)量損失隨空氣氣流速度的增大先增加后減

13、小，隨氮?dú)鈿饬魉俣鹊脑龃蠖鴾p??；氣流速度相同時(shí)，氮?dú)鈿饬鲿r(shí)的質(zhì)量損失明顯少于空氣氣流。圖3.3兩種氣流狀態(tài)下質(zhì)量損失隨氣流速度的變化（激光205W/cm2）分析認(rèn)為，樣品內(nèi)產(chǎn)生的大量熱分解產(chǎn)物向外噴出，對(duì)入射激光產(chǎn)生一定的屏蔽作用?？諝鈿饬鞯淖饔弥饕腥齻€(gè)，一是吹走熱分解產(chǎn)物減輕屏蔽作用，有助于樣品燒蝕；二是提供氧氣，有助于表面固體材料的氧化燒蝕和流出界面的熱分解產(chǎn)物的氧化，有利于下游區(qū)域的熱分解；三是強(qiáng)迫對(duì)流換熱冷卻樣品，不利于樣品的燒蝕。氮?dú)鈿饬髦痪哂械谝缓偷谌N作用。對(duì)于本文的問(wèn)題，當(dāng)空氣流的速度較低時(shí)，可以認(rèn)為第一和第二種作用占主導(dǎo)地位，因此質(zhì)量損失隨氣流速度的增大而增大；當(dāng)氣流速度較

14、大時(shí)，第三種作用開(kāi)始占主導(dǎo)地位，這時(shí)質(zhì)量損失隨氣流速度的增大反而減小。氮?dú)鈿饬飨拢捎跊](méi)有空氣氣流的第二種作用，導(dǎo)致相同氣流速度下的質(zhì)量損失明顯比空氣氣流偏低。3.3 溫度曲線(xiàn)圖 3.4 給出了空氣氣流速度分別為 0.11Ma、0.31Ma、0.5Ma 和 0.8Ma 時(shí)，樣品中心測(cè)點(diǎn)的溫度歷史，圖3.5 給出了氮?dú)鈿饬飨碌慕Y(jié)果?？梢钥闯?，兩種氣流狀態(tài)下，整體而言，氣流速度越大，中心測(cè)點(diǎn)的最高溫度越低。圖3.4不同空氣氣流速度下中心測(cè)點(diǎn)的溫度歷史（激光 205W/cm2）圖3.5不同氮?dú)鈿饬魉俣认轮行臏y(cè)點(diǎn)的溫度歷史（激光 205W/cm2）圖 3.6 給出了兩種氣流狀態(tài)下，樣品中心測(cè)點(diǎn)的最高溫

15、度隨氣流速度的變化?？梢钥闯?，兩種氣流狀態(tài)下，總體而言，中心測(cè)點(diǎn)的最高溫度隨氣流速度的增大而減小。注意，這與空氣氣流速度較低時(shí)，質(zhì)量損失隨氣流速度的變化趨勢(shì)不一致。中心測(cè)點(diǎn)的最高溫度只反映輻照區(qū)的溫度變化，而質(zhì)量損失則包含了下游區(qū)域樹(shù)脂材料熱分解的結(jié)果。當(dāng)固體材料或流出的熱分解產(chǎn)物的氧化對(duì)下游加熱作用比較明顯時(shí)，質(zhì)量損失隨氣流速度的變化可能出現(xiàn)與輻照區(qū)后表面最高溫度不一樣的規(guī)律。圖3.6心測(cè)點(diǎn)的最高溫度隨氣流速度的變化（激光205W/cm2）4氦氣氣流速度的影響在考察氣流速度對(duì)輻照效應(yīng)的影響時(shí)，將激光功率密度設(shè)定為 295W/cm2。吹空氣氣流時(shí)，氣流速度分別設(shè)置為 0.12Ma、0.23Ma

16、、0.31Ma、0.4Ma、0.5Ma、0.65Ma和 0.8Ma；吹氮?dú)鈿饬鲿r(shí)，氣流速度分別設(shè)置為 0.23Ma 和 0.4Ma。4.1損傷形貌圖4.1給出了空氣氣流速度分別為 0.11Ma、0.31Ma、0.5Ma 和 0.8Ma 時(shí)，輻照后樣品前、后表面的損傷形貌?？梢钥闯?，總體而言，隨著氣流速度的增大，輻照區(qū)的碳纖維斷裂越明顯；氣流下游樹(shù)脂發(fā)生熱分解的區(qū)域逐漸縮?。还潭犭娕嫉臉?shù)脂材料的變化越不明顯。攝像機(jī)的視頻信號(hào)表明，空氣氣流時(shí)均發(fā)生了燃燒；氣流速度越大，輻照區(qū)的紅色亮斑在停止輻照后持續(xù)時(shí)間越短，表明氣流的冷卻作用越明顯。圖 4.1不同空氣流速下的損傷形貌（激光 295W/cm2）圖 4.2 給出了氮?dú)鈿饬魉俣确謩e為 0.23Ma 和 0.4Ma 時(shí)，輻照后樣品前、后表面的損傷形貌?？梢钥闯?，兩種氣流速度下，玻璃纖維均發(fā)生了熔化，有大量的黑色產(chǎn)物附著在氣流下游。攝像機(jī)的視頻信號(hào)表明，兩種氣流速度下，均未發(fā)生燃燒；氣流速度較大時(shí)，輻照區(qū)的紅色亮斑出現(xiàn)得更晚。圖 4.2 不同氮?dú)鈿饬魉俣认碌膿p傷形貌（激光 295W/cm2）4.3質(zhì)量損失圖4.3兩種氣流狀態(tài)下質(zhì)量損失隨氣流速度的變化（激光 295W/cm2）