激光輻照效應(yīng)

1、簡介切向氣流作用下，連續(xù)波激光對纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的輻照效應(yīng)研究目前還不夠深入。本文對該問題開展實驗、理論和數(shù)值模擬研究，將空氣氣流、氮?dú)鈿饬骱蜔o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，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，氣流速度分別設(shè)置為0.11Ma、0.23Ma、0.31Ma和0.4Ma。進(jìn)行實驗分析，得出合理的初步驗證。1背景及意義1.1 復(fù)合材料在無人機(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，而且通過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)樹脂基復(fù)合材料占有重要地位。這類復(fù)合材料的增強(qiáng)材料是各類纖維，例如碳纖維、玻璃纖維、硼纖維和芳綸纖維等，基體材料是樹脂，例如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、有機(jī)硅和聚酯等2。這類復(fù)合材料因其優(yōu)異性能在無人機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用。在無人機(jī)上使用纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的優(yōu)點是多方面的。這類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；具有良好的耐腐蝕性，可滿足無人機(jī)在惡劣環(huán)境

3、下長壽命的特殊要求，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)計可滿足無人機(jī)結(jié)構(gòu)/功能一體的高隱身技術(shù)要求3。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用對無人機(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，當(dāng)今世界上各種先進(jìn)的無人機(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，美國諾斯羅譜·格魯門公司為美空軍研制的“全球鷹”高空長航時無人偵察機(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 美國的激光反無人機(jī)實驗現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，無人機(jī)的作用非常突出。無人機(jī)具有無人駕駛、體積小、造價低和戰(zhàn)場生存力強(qiáng)等特點，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)越來越多地投入了實際戰(zhàn)場。如何有效攔截?zé)o人機(jī)，這是各軍事大國都很關(guān)注的問題。利用高能激光束來攔截，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7。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，高能激光武器技術(shù)取得了很大進(jìn)展，激光反無人機(jī)已經(jīng)具備了現(xiàn)實可能性。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 公里時速飛行的 4 架無人機(jī)射擊，無人機(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 年投入實用8。圖 1.1 無人機(jī)被激光擊中著火1.3 研究意義激光武器對目標(biāo)的毀傷是通過定向發(fā)射的激光束與目標(biāo)的相互作用來實現(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，研究激光武器對目標(biāo)的毀傷機(jī)理，首先需要針對目標(biāo)上的

6、材料，研究激光輻照下材料的變化，即激光對材料的輻照效應(yīng)。為了評估美軍激光武器反無人機(jī)的實戰(zhàn)可能性，需要研究激光對無人機(jī)的毀傷機(jī)理。由于戰(zhàn)斗機(jī)和無人機(jī)上大量使用了纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料9-11，因此，需要研究激光對這類復(fù)合材料的輻照效應(yīng)。環(huán)境條件（例如切向氣流、真空等）對激光與物質(zhì)相互作用過程有重要影響。無人機(jī)在大氣中飛行時，表面存在切向氣流。因此，本文研究切向氣流作用下激光對纖維增強(qiáng)樹脂基復(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，從而提高我國的無人機(jī)在激光攻擊環(huán)境下的生存能力。2實驗方案設(shè)計2.1實驗裝置圖2.1實驗裝置圖實驗裝置示意圖見圖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，氣流平行流過靶板前表面。各主要設(shè)備或儀器的作用說明如下：通光光閘：控制激光對樣品的輻照時間。光電探測器 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間和輻照過程中樣品對入射激光反射率的變化。光電探測器 2：接收透過樣品、被置于樣品之后的漫反屏反射的激光能量，以監(jiān)測樣品對入射激光透射率的變化。熱電偶：測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、光電探測器 1 和光電探測器 2 的信號。攝像機(jī)：記錄樣品前表面的動態(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 以上透過率很低。激光筆：當(dāng)通光

8、光閘打開時，激光筆的投射點處于攝像機(jī)的視野內(nèi)，便于在攝像機(jī)的視頻信號中確定激光開始輻照的時刻。2.2試驗樣品實驗針對兩種樣品進(jìn)行，即碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料樣品和玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料樣品，分別簡稱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?？梢钥闯觯瑢τ?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%的激光能量會被吸收。基于這些測量數(shù)據(jù)，在數(shù)值模擬時，對于吸收的激光能量，對碳纖維樣品按面熱流加載，對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驗中用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，在測溫點鉆了深度約 0.10.2mm 的小孔，再用 E-51 環(huán)氧樹脂將熱電偶的頭部固定在小孔內(nèi)。圖 2.3 給出了熱電偶在實驗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，表示了以氣流流動方向為參考，三個測溫點的相對位置。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輻照效應(yīng)的影響時，將激光功率密度設(shè)定為 205W/cm2。吹空氣氣流時，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，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，輻照后樣品前、后表面的損傷形貌?？梢钥闯觯傮w而言，隨著氣流速度的增大，輻照區(qū)的碳纖維斷裂越明顯；氣流下游樹脂發(fā)生熱分解的區(qū)域逐漸縮小；固定熱電偶的樹脂材料的變化越不明顯。攝像機(jī)的視頻信號表明，空氣氣流時均發(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，輻照后樣品前、后表面的損傷形貌。可以看出，四種氣流速度下，輻照區(qū)的碳纖維均未明顯燒蝕；下游表面的樹脂材料均發(fā)生了輕微的熱分解。攝像機(jī)的視頻信號表明，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?？梢钥闯觯|(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?。粴饬魉俣认嗤瑫r，氮?dú)鈿饬鲿r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，對入射激光產(chǎn)生一定的屏蔽作用?？諝鈿饬鞯淖饔弥饕腥齻€，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。對于本文的問題，當(dāng)空氣流的速度較低時，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，第三種作用開始占主導(dǎo)地位，這時質(zhì)量損失隨氣流速度的增大反而減小。氮?dú)鈿饬飨?，由于沒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，樣品中心測點的溫度歷史，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，中心測點的最高溫度越低。圖3.4不同空氣氣流速度下中心測點的溫度歷史（激光 205W/cm2）圖3.5不同氮?dú)鈿饬魉俣认轮行臏y點的溫度歷史（激光 205W/cm2）圖 3.6 給出了兩種氣流狀態(tài)下，樣品中心測點的最高溫

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，中心測點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，質(zhì)量損失隨氣流速度的變化趨勢不一致。中心測點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)物的氧化對下游加熱作用比較明顯時，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心測點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輻照效應(yīng)的影響時，將激光功率密度設(shè)定為 295W/cm2。吹空氣氣流時，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，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，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；氣流下游樹脂發(fā)生熱分解的區(qū)域逐漸縮??；固定熱電偶的樹脂材料的變化越不明顯。攝像機(jī)的視頻信號表明，空氣氣流時均發(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，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)的視頻信號表明，兩種氣流速度下，均未發(fā)生燃燒；氣流速度較大時，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）