1 中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室，北京 100190
2 中国科学院力学研究所空天飞行高温气动国家重点实验室，北京 100190
3 中国科学院大学工程科学学院，北京 100049
高速气流作用下激光辐照结构诱导的热-力响应相似关系，因涉及多物理场之间的强耦合而非常复杂。笔者采用近似等效方法，将切向气流的作用等效为金属平板结构的力载荷和热载荷边界条件，建立了该耦合问题的无量纲控制方程，并结合主控因素分析，推导出了适用于高速气流与激光联合作用下的金属平板热-力响应特性的相似关系与尺度律。采用高速气流下强激光辐照金属平板的流-热-固多场耦合数值算例对该尺度律进行考核验证，结果表明：不同缩比率及不同马赫数条件下，满足该相似关系的缩比模型与原模型之间的热-力响应误差均在1%之内。本研究为高速气流条件下激光辐照缩比模型近似等效试验的开展奠定了理论基础。
激光技术 尺度律 方程分析法 金属平板 多场耦合 热-力响应 中国激光
2024, 51(12): 1202103
1 中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室，北京 100190
2 中国科学院大学工程科学学院，北京 100049
3 中国科学院力学研究所空天飞行高温气动国家重点实验室，北京 100190
建立了一种适用于强激光辐照面的高温原位观测方法，并开展了高速风洞内的激光辐照实验，获得了典型金属材料与复合材料在超声速切向气流条件下的瞬态烧蚀与破坏行为；此外，基于Horn-Schunck光流法分析了各典型材料的烧蚀特征与质点的运动速度，基于粒子图像测速法并结合复合材料铺层结构特征获得了瞬时烧蚀速度。研究结果表明，各材料的动态烧蚀行为有很大差异：在切向气流作用下，熔融态钛合金的流动模式从燕尾状转变为羽翼状，而镍基高温合金则呈雨滴状流动。基于Kelvin-Helmholtz机制分析了切向气流作用下不同金属材料击穿时间存在差异的原因。超高温陶瓷复合材料的热化学烧蚀和机械剥蚀特征与编织结构类型密切相关，并且高激光功率密度条件下的抗激光烧蚀性能与碳纤维含量成正比。
激光技术 激光破坏效应 原位观测技术 瞬态烧蚀形貌 超声速切向气流 光流法 中国激光
2023, 50(16): 1602201
1 河北工业大学 材料科学与工程学院，天津 300401
2 吉林大学电子科学与工程学院 集成光电子学国家重点联合实验室，吉林 长春 130012
金属卤化物钙钛矿太阳能电池已经能够实现25.7%的认证光电转化效率，接近于晶硅太阳能电池26.7%的最高认证效率。众所周知，ABX3钙钛矿材料的晶体结构组分工程在实现高效和稳定的器件方面发挥着关键作用，尤其是近几年受到研究人员广泛关注的X位卤素阴离子组分工程。最近，研究人员在引入赝卤素阴离子作为钙钛矿晶体的掺杂组分、前驱体添加剂、薄膜后处理材料、电荷传输材料、界面钝化剂以及改性剂等方面开展了多项研究工作，结果证明赝卤素离子修饰是提高器件效率和稳定性的重要策略。本综述详细对比和总结了目前可用于钙钛矿太阳能电池的多种类型的赝卤素离子，并对其影响钙钛矿晶体薄膜形貌、光电特性、载流子迁移特性和器件光伏特性及稳定性等方面的深入机理和作用本质进行了深入总结。同时，本文还对目前尚未被探索开发的赝卤素离子进行了展望和分析，以期在未来研究中能有效促进钙钛矿太阳能电池光伏特性的提升。
赝卤素离子 组分工程 钙钛矿太阳能电池 缺陷钝化 pseudo-halide ions component engineering perovskite solar cells defect passivation
1 中国科学院 力学研究所 流固耦合系统力学重点实验室，北京 100190
2 中国科学院 力学研究所 空天飞行高温气动国家重点实验室，北京 100190
3 中国科学院大学 工程科学学院，北京 100049
4 上海宇航系统工程研究所，上海 201109
为了明确高速气流对C/SiC复合材料激光烧蚀行为的影响机制，开展了不同环境下强激光对C/SiC复合材料的烧蚀对比实验研究。利用激光器与高速风洞联合实验平台，完成了静态以及Ma 1.8，Ma 3.0，Ma 6.0气流环境下2D与3DN C/SiC复合材料激光烧蚀实验。结果表明，与静态环境相比，高速气流对C/SiC复合材料的激光烧蚀行为产生了显著的影响，气流的冲刷使得烧蚀坑呈现出更宽、更深、更光滑的变化趋势。随着气流速度的增长，线烧蚀速率与质量烧蚀速率逐渐增大，主要原因为当地静压降低引起的升华速率增大，以及动压增大引起的剥蚀速率增大。此外，通过实验对比了不同构型对C/SiC激光烧蚀行为的影响。结果表明：2D C/SiC复合材料由于厚度方向更低的导热能力、更低的孔隙率等原因，其在不同环境条件下抗烧蚀能力均强于3DN C/SiC复合材料。
C/SiC复合材料 激光辐照 高速气流 烧蚀行为 C/SiC composite laser irradiation high-speed airflow ablation behaviors 强激光与粒子束
2023, 35(5): 051002
吉林大学电子科学与工程学院，集成光电子学国家重点联合实验室，吉林 长春 130012
金属卤素钙钛矿材料作为一种新型的半导体材料，因具有吸收截面大、载流子扩散长度较长、发光量子效率高、色纯度高以及发光波长可调等优势，在照明显示、太阳能电池、光电探测和生物成像等光电领域展现出广阔的应用前景。然而，钙钛矿材料仍然存在一些阻碍其在实际中应用的问题，比如：蓝光钙钛矿量子点的发光效率较低，红光钙钛矿的稳定性较差，Pb2+离子具有一定毒性。掺杂钙钛矿材料可以在一定程度上解决这些问题，同时可以提高其光学/电学性能。本文系统介绍了掺杂钙钛矿材料的合成，A位、B位以及X位离子掺杂或取代对金属卤化物钙钛矿光电性能和稳定性的影响，并对掺杂钙钛矿材料的应用进行了综述。
材料 金属卤化物钙钛矿 掺杂 光电特性 稳定性 激光与光电子学进展
2021, 58(15): 1516011
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Photo-Electronic Materials, Ningbo University, Ningbo 315211, China
2 State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, College of Electronic Science and Engineering and College of Physics, Jilin University, Changchun 130012, China
3 Department of Physics, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China
Yb3+/Er3+ co-doped Na5Lu9F32 single crystals used as a spectral up-converter to improve the power conversion efficiency of perovskite solar cells are prepared via an improved Bridgman approach. Green and red up-conversion (UC) emissions under the excitation of near-infrared (NIR) bands of 900–1000 nm and 1400–1600 nm can be observed. The effectiveness of the prepared materials as a spectral converter is verified by the enhancement of power conversion efficiency of perovskite solar cells. The sample with a UC layer is 15.5% more efficient in converting sunlight to electricity compared to the UC layer-free sample due to the absorption of sunlight in the NIR range. The results suggest the synthesized Yb3+/Er3+ co-doped Na5Lu9F32 single crystals are suitable for enhancing the performance of perovskite solar cells.
160.4670 Optical materials 260.1180 Crystal optics 260.2510 Fluorescence 350.6050 Solar energy Chinese Optics Letters
2019, 17(9): 091601
1 哈尔滨工程大学, 哈尔滨 150001
2 中国科学院 力学研究所 流固耦合系统力学重点实验室, 北京 100190
通过数值计算模拟了激光诱导充压柱壳的热力破坏效应，研究了典型结构的动态爆裂过程，获得的破坏模式与实验结果基本一致。给出了三类典型破坏模式及其对应的参数范围，探讨了各类破坏模式的形成机理，并分析了不同光斑尺寸、壳体厚度条件下热软化效应对破坏内压阈值的影响，以及预内压与破坏时间的关系。研究结果表明：光斑半径越大、热软化程度越高，柱壳的破坏内压阈值越低，且破坏内压阈值随着壳体厚度的减小呈线性下降；给定激光参数和壳体参数下破坏时间随预充内压增大而减小并呈二次函数关系。给出了一种通过热软化程度预估激光诱导充压柱壳破坏时间的方法。
激光辐照 热软化效应 充压柱壳 破坏模式 破坏阈值 laser irradiation thermal softening effect pressurized cylindrical shell failure mode failure threshold 强激光与粒子束
2018, 30(3): 031001
1 中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室, 北京 100190
2 中国科学院大学工程科学学院, 北京 100049
3 中国科学院宁波工业技术研究院先进制造技术研究所, 浙江 宁波 315201
建立了能够反映高功率连续激光辐照碳纤维增强复合材料(CFRP)层合板时材料发生烧蚀、热解与层间开裂等热力损伤效应的多尺度分析模型。从细观尺度分别建立了纤维和基体的热解动力学方程, 通过热重分析获得热解动力学参数, 进而得到CFRP层合板宏观的热物与力学性能参数。通过内聚力模型建立了激光辐照引起层间开裂的分析模型, 提出并建立了热解和层间开裂效应阻碍能量传递的热阻模型。将多尺度模型获得的热-力学性能参数与热力耦合数值模型相结合, 模拟了高功率连续激光引起的烧蚀、热解及层间开裂行为, 模拟结果与实验结果吻合较好。
激光光学 复合材料 多尺度模型 碳纤维增强复合材料 热解 烧蚀 层间开裂
