1 西北工业大学 航空学院，陕西 西安 710072
2 西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室，陕西 西安 710024
为了研究以激光为热源开展材料高温力学性能测试的可行性，建立理论模型与数值模型，分析了材料在双面均匀激光光斑加热下的表面及内部温升。结果表明，理想情况下采用均匀化激光双面辐照的加热方式可以在试件加热区域内形成较均匀的温度场。为验证上述结论，建立了光斑匀化度达92%的激光双面辐照热力耦合测试试验平台，并基于相关测试方法获取了传统加热方式难以快速加热的CFRP层合板高温拉伸强度。结果表明，试件在激光加热中心测试区域（10 mm×10 mm）内的温度均匀性良好。试件在均匀化激光双面辐照下可被快速加热至923 ℃，测试区域内的最大温度波动为6.8%。文中提出的基于均匀化激光双面辐照的热力耦合测试方法相比传统测试方法具有通用性好、温升率高、测试温度高、测试效率高等一系列的优点。该研究可为进一步研制通用型材料/结构高温升率、高温力学性能试验系统提供关键技术支撑。
双面辐照 均匀激光 高温 拉伸强度 CFRP double-sided irradiation uniform laser high temperature tensile strength CFRP 红外与激光工程
2023, 52(1): 20220329
西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室, 西安710024
针对激光与机械载荷联合作用下碳纤维/环氧树脂增强复合材料（CFRC）层合板失效时间的预测需求，实验研究了不同激光功率密度（70～210 W/cm2）、不同预应力水平（拉伸强度的50%和70%）、不同光斑尺寸（拉伸试件宽度的70%和100%）下2 mm厚层合板的失效机理，获取了不同影响因素对断裂时间的影响规律。结果表明：预加载层合板失效机制为迎光面环氧树脂基底材料热解、纤维氧化断裂，背光面剩余结构偏脆性断裂；在预应力一定条件下，试件断裂时间与辐照激光功率密度成指数规律；预应力水平对断裂时间影响显著。
激光辐照 预加载 CFRC层合板 断裂 laser preloaded CFRC laminate fracture 强激光与粒子束
2022, 34(1): 011011
西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室，陕西 西安 710024
当激光辐照玻璃钢烧蚀碳化至一定程度时，产生的树脂碳产物对微波传输产生衰减作用。针对该现象，开展了数值建模研究，将激光辐照-微波传输衰减效应分解为激光辐照、材料热响应、提取模型表征量、微波传输衰减分析等过程。通过玻璃钢材料的激光耦合特性和表面温度测试，对建立的玻璃钢层合板激光辐照温度场计算模型进行了验证；通过材料体温度分布的时间演进分析，提取了网格单元温度超过阈值温度的持续时间加权和St, Tc、网格单元温度超过阈值温度的持续时间与温度乘积的加权和STt, Tc两个模型表征量，采用单个实验数据标定系数、整体数据点匹配分析方法，对微波传输衰减实验与数值模拟结果进行了分析。分析结果表明，St, Tc比STt, Tc更适于表征玻璃钢烧蚀碳化致微波传输衰减效应，温度阈值为873 ℃时计算结果与实验结果最匹配，其R2为0.9956。这说明，通过计算激光辐照玻璃钢温度响应并提取微波传输衰减效应表征量St, Tc，可实现对玻璃钢激光烧蚀碳化致微波传输衰减效应的模拟和预测。
玻璃钢 碳化 微波传输衰减 数值模拟 GFRP carbonization microwave transmission decay numerical simulation 红外与激光工程
2021, 50(12): 20210137
1 北京理工大学 材料学院, 北京 100081
2 西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室, 陕西 西安 710024
石墨-二氧化硅作为无机添加材料, 广泛应用于各类航空航天器烧蚀涂层领域, 其在高温下具有较高的反应吸热焓, 在高能激光烧蚀领域具有良好的应用前景。目前, 关于石墨-二氧化硅的高能激光烧蚀研究较少, 尤其在高能激光烧蚀中的反应时间和烧蚀阈值难以确定。针对此问题, 利用近红外探测器对激光辐照样品表面的散射光进行实时探测, 并对其散射光曲线进行微分拟合处理。基于此散射光信号, 结合样品烧蚀后的形态结构分析, 研究了石墨-二氧化硅在不同激光功率密度下的反应时间阈值。研究结果表明: 在激光输出功率密度为500 W/cm2持续辐照10 s时, 散射光拟合曲线持续升高无突变, 表明未发生明显的烧蚀; 当激光功率密度升高至1 000～1 500 W/cm2时, 散射光微分拟合曲线出现明显转折点, 对应的反应时间阈值分别为15 s和08 s。
石墨-二氧化硅 激光烧蚀 散射光 烧蚀时间阈值 微分拟合 graphite-SiO2 laser ablation scattering light ablation time threshold differential fitting
西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室, 陕西 西安 710024
建立了气流作用下激光辐照金属的数值模型，利用CFD软件模拟了不同气流速度、不同厚度金属锡板的激光辐照熔化烧蚀过程，并对比了实验结果。通过研究液态金属迁移机理及对流散热机理，分析了气流速度对不同厚度金属板的辐照效应的影响。研究结果表明，较厚金属板的辐照过程中会形成较深的熔坑，使得相同气流速度下熔化的液态金属较难移除，导致熔穿时间随气流速度增大而减小；较薄金属板的熔坑较浅，液态金属容易移除，由于移除的金属液滴混合在空气中增强了对流换热效果，因此熔穿时间随气流速度增大而增大。
激光技术 激光辐照 气流 金属熔化物迁移 对流散热 激光与光电子学进展
2016, 53(6): 061408
西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室，陕西 西安 710024
为研究复合材料的热解问题，设计了氮气流保护条件下的低功率密度辐照实验，获得了不同辐照时间和不同功率密度下碳纤维环氧树脂复合材料层合板的热解规律。实验结果表明：试样质量损失随辐照时间持续呈单调增大趋势，但热烧蚀率却逐渐减小并有稳定趋势；试样质量损失与功率密度呈线性关系；激光功率密度的增加可提高热烧蚀率，但随功率密度的增加，试样热烧蚀率增幅减小并有饱和趋势。
激光辐照 复合材料 氮气流 热解 laser irradiation composite nitrogen flow pyrolysis 红外与激光工程
2016, 45(3): 0306001
西北核技术研究所, 激光与物质相互作用国家重点实验室, 西安 710024
碳烟的消光表征方法有很多种，但对于评价不稳定分布的碳烟体系，需要花费较大的代价。基于RDG-FA理论提出了一种相对简便易行的适用于不稳定分布碳烟的消光表征方法，即以碳烟的质量浓度权重的平均质量消光系数来评价碳烟的消光特性。根据理论推导，碳烟的消光系数为平均质量消光系数和总质量浓度之积，而平均质量消光系数表达式中的各项均可通过理论分析、计算和实验方法得到。另外，对平均质量消光系数随碳烟粒径和聚合粒子尺寸的变化规律进行了理论分析，预测随着碳烟粒径和聚合粒子尺寸减小，碳烟的平均质量消光系数先快速减小，然后进入缓变区，慢慢减小。
碳烟 消光表征 RDG-DA理论 平均质量消光系数 soot extinction characterization RDG-FA theory mean mass extinction coefficient 强激光与粒子束
2015, 27(11): 111006
西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室, 西安 710024
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7,10,20 m/s时羽烟对1064 nm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。
激光诱导炽光法 消光法 质量消光系数 碳纤维复合材料 烧蚀羽烟 laser induced incandescence light extinction method mass extinction coefficient carbon fiber composite material ablating soot 强激光与粒子束
2015, 27(4): 041018
西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室, 陕西 西安 710024
烧蚀热可用于材料抗激光加固性能表征和材料的激光加工效率描述。实验研究了亚音速表面切向空气气流速度和激光功率密度对玻璃纤维/树脂复合材料烧蚀热的影响规律，结果表明，相同气流速度下，烧蚀热在100~500 W/cm2 激光功率密度范围内先迅速降低然后趋于稳定，转折点约位于200 W/cm2；相同激光作用下，功率密度较低时，烧蚀热随着气流速度提升而变大，功率密度高于一定值(约200 W/cm2)后，烧蚀热随气流速度提升而降低。分析认为材料内部扩散、热解气体燃烧、残碳氧化放热、辐射能量损失、气流剥蚀等多个因素的竞争是激光能量利用效率变化的原因。
激光光学 激光辐照效应 烧蚀热 玻璃纤维复合材料 切向气流速度 激光功率密度
1 国防科技大学 光电科学与工程学院，湖南 长沙 410073
2 西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室，陕西 西安 710024
为解决金属材料在激光辐照过程中因时变能量沉积所致的热响应问题，构建了由多层氧化膜生长模型、吸收基底表面多层吸收膜模型和热传导方程组成的能量沉积-热响应时变耦合模型。多层氧化膜包括Fe2O3、Fe3O4和FeO等三层，Fe2O3和Fe3O4氧化膜初期以线性规律生长，后期以抛物线规律生长，其中Fe3O4氧化膜在250 ℃以上开始生长；FeO氧化膜在570 ℃后以抛物线规律生长。利用吸收基底表面多层吸收膜模型计算了不同厚度多层氧化膜的反射率；利用热传导方程计算样品温度，联立求解了激光辐照过程中样品温度和反射率的变化历程。最后，建立了积分球反射率测量装置，在线测量了不同功率1.06 μm连续激光辐照过程中45#钢的反射率和温度，实验结果与数值模拟结果吻合较好。
连续激光 激光辐照 45号钢 反射率 热响应 动力学模型 cw-laser laser radiation 45# steel reflectance thermal response dynamic model
