1 1.东南大学 机械工程学院, 南京 211189
2 2.高速飞行器结构与热防护教育部重点实验室, 南京 211189
高速飞行器中的陶瓷基复合材料结构在服役过程中不可避免地会遇到低速冲击问题, 低速冲击后的损伤形式以及剩余承载能力是影响飞行器结构安全的关键问题。本研究以二维编织SiC/SiC复合材料板件为研究对象, 在不同能量下开展了低速冲击试验, 分析了低速冲击载荷下试验件的表面损伤状态, 通过计算机断层扫描技术观察了试验件内部的损伤形貌, 结合冲击过程中的冲击响应曲线以及应变历史曲线, 分析了SiC/SiC复合材料低速冲击过程的损伤机理。针对含勉强目视可见损伤的试验件开展了冲击后剩余强度试验, 研究了勉强目视可见损伤对SiC/SiC复合材料剩余承载性能的影响。结果表明, 在低速冲击载荷的作用下, 试验件的表面损伤主要包括无表面损伤、勉强目视可见损伤、半穿透损伤以及穿透损伤, 试验件的内部损伤主要有锥形体裂纹、纱线断裂以及分层损伤。低速冲击损伤会严重影响SiC/SiC复合材料的剩余性能, 虽然试验件损伤勉强目视可见，但其剩余压缩强度为无损件81%, 剩余拉伸强度仅为无损件的68%。
SiC/SiC 陶瓷基复合材料 低速冲击 损伤特性 剩余强度 SiC/SiC ceramic matrix composites low-velocity impact damage characteristics residual strength
1 航天工程大学研究生院, 北京 101416
2 航天工程大学宇航科学与技术系, 北京 101416
3 航天工程大学航天指挥学院, 北京 101416
太阳能电池作为一种高效的光电转化器, 被广泛地应用于光伏发电系统中。 激光作为一种高亮度光源辐照电池时, 会导致其出现损伤, 可利用电池的表面散射光谱特性, 对其损伤程度进行判别。 通过目标表面散射光谱测量系统, 对激光辐照后的三结砷化镓电池散射光谱进行测量, 并计算双向反射分布函数（BRDF）。 其中测量系统主要由FX 2000和NIR 17型光纤光谱仪组成, 针对电池表面的强镜反射特性, 在实验中采用了入射角和反射角为30°的测量几何模型。 原始三结砷化镓太阳能电池的结构主要包括减反射膜DAR层、 顶电池GaInP层、 中电池GaAs层和底电池Ge层, 其散射光谱特征包括可见光谱段(500~900 nm)的吸收特性及近红外谱段(900~1 200 nm)的类周期振荡特性, 在对连续激光辐照损伤后电池的光谱特性进行实验测量后, 得到了损伤电池光谱BRDF的变化, 并结合基于薄膜干涉理论的电池散射光谱模型, 对各膜层损伤后的特征进行了分析。 结果表明: DAR层的主要作用是降低光谱反射能量, 对光谱曲线的特性影响较小; Ge层对光谱曲线形状基本无影响; 电池散射光谱吸收和干涉等特征主要由GaInP层和GaAs层所引起, 其中, GaInP层主要影响可见光谱段的吸收特性, 并对近红外谱段内的干涉特性起到调制作用, 而GaAs层主要影响近红外谱段的干涉特性, 当其损伤到一定程度后, 会导致可见光谱段内出现干涉特性。 最后, 在实验结果分析的基础上, 通过模型研究了电池各层对散射光谱特性的影响, 并讨论了基于散射光谱特性的电池损伤程度判别, 研究结果可为电池激光损伤判别提供参考。
激光辐照 三结砷化镓电池 散射光谱 表面形貌 损伤特性 Laser irradiation Triple junction gallium arsenide battery Scattered spectrum Surface appearance Damage characteristics 光谱学与光谱分析
2023, 43(12): 3674
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室, 吉林 长春130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 北京跟踪与通信技术研究所, 北京 100094
随着光电对抗和超短脉冲激光技术的发展，研究超短脉冲激光与单晶硅相互作用具有非常重要的理论和实际意义。为了进一步明确532 nm皮秒脉冲激光对单晶硅的损伤机理，本文开展了532 nm皮秒脉冲激光辐照单晶硅的损伤效应实验研究，测定了损伤阈值，明确了损伤机理，探讨了低通量下的脉冲累积效应。首先，利用波长为532 nm、脉冲宽度为30 ps的激光器和金相显微镜，基于1-on-1的激光损伤测试方法，测定了单晶硅的零损伤概率阈值为0.52 J/cm2；其次，研究了皮秒激光辐照单晶硅在不同激光能量密度下的损伤形貌，发现532 nm皮秒脉冲激光对单晶硅的损伤表现为热影响损伤和等离子体冲击损伤，随着激光能量密度的增大，按主要的损伤机制可将损伤程度分为：热影响（0.52~3 J/cm2）、热烧蚀（3~50 J/cm2)和等离子烧蚀（>50 J/cm2），且不同情况下，损伤面积随激光能量密度分别对应不同的增长规律；最后，研究了低通量下多脉冲的累积效应，发现在0.52 J/cm2的激光能量密度下，连续辐照16个脉冲时表面形成热影响区，验证了多脉冲的累积效应可以降低单晶硅的激光损伤阈值。
皮秒脉冲激光 单晶硅 损伤阈值 累积效应 损伤特性 picosecond pulse laser monocrystalline silicon damage threshold cumulative effect damage characteristics
长春理工大学 理学院 物理系, 长春 130022
为了研究高功率激光致碳纤维/环氧树脂复合材料的热损伤规律, 采用COMSOL软件对多层结构的碳纤维/环氧树脂复合材料的热应力进行模拟计算, 取得了不同功率密度激光辐照复合材料的瞬态温度场与应力场的时空分布及变化规律。测量得到不同功率密度的激光作用碳纤维/环氧树脂后的损伤面积和损伤形貌, 与数值模拟结果的趋势吻合。结果表明, 靶材表面辐照中心点温度在872K时出现温度平台, 即相变潜热期与逆相变潜热期, 并随着激光功率密度变化; 激光辐照靶材对上表面碳纤维产生了极大的轴向压应力, 功率密度为293W/cm2时, 压应力差值约为1.87MPa; 功率密度为3453W/cm2时,压应力差值约为1.42MPa。这一结果对高功率激光致碳纤维/环氧树脂复合材料的热损伤研究提供了理论基础。
激光技术 热应力 数值模拟 复合材料 损伤特性 laser technique thermal stress numerical simulation composite material damage characteristics
1 中国科学院 上海光学精密机械研究所 薄膜光学实验室, 上海 201800
2 广东省新材料研究所 现代材料表面工程技术国家工程实验室, 广州 510651
研究了用于三倍混频的Ⅱ类DKDP晶体在35 ps，850 ps和7.6 ns三种不同脉宽355 nm波长激光作用下的损伤特性。实验对比分析了损伤阈值、概率和损伤针点形貌、尺寸和密度，并根据损伤阈值及概率得到前驱体阈值及密度。结果表明，前驱体的激光能量吸收量与脉宽线性相关。35 ps激光作用下DKDP有一种前驱体吸收激光能量形成熔融状损伤针点。850 ps激光作用下有两种前驱体吸收激光能量并产生力学破坏形成中心熔融四周断裂的损伤针点。7.6 ns激光作用下只有一种前驱体吸收激光能量，并且形成的损伤针点与850 ps对应的损伤针点有相同特征。
DKDP晶体 脉冲宽度 激光损伤特性 损伤针点形貌 前驱体 DKDP crystal different pulse duration laser-induced damage characteristics pinpoint morphology damage precursor 强激光与粒子束
2019, 31(9): 091004
1 燕山大学电气工程学院， 河北 秦皇岛 066004
2 燕山大学测试计量技术及仪器河北省重点实验室， 河北 秦皇岛 066004
3 燕山大学国防科学技术学院， 河北 秦皇岛 066004
提出了一种基于3D点云深度信息的函数拟合与三角剖分相结合的方法，构建了高速滑动电接触构件的表面损伤特征提取模型，将损伤区域3D特征数据进行三角剖分，计算了构件表面损伤体积和质量。实验结果表明，该算法计算准确度可达97.3%。
测量 3D点云深度 损伤特征 三角剖分 损伤质量
1 中国科学技术大学光学与光学工程系, 安徽 合肥 230026
2 脉冲功率激光技术国家重点实验室, 安徽 合肥 230037
激光冲击是一种以高功率脉冲激光辐照金属材料的新型表面改性处理技术。在水约束层和 记号笔涂层作保护层的情况下,对铝、钛和不锈钢3种典型的金属结构材料进行激光冲击对比实验, 获得强激光冲击作用下3种金属结构材料的损伤特性,并定量分析了激光冲击次数与金属材料表面凹坑 深度的关系。结果表明:凹坑深度与冲击次数呈线性关系,且斜率与金属材料的屈服强度成反比。 为探究激光冲击光斑形貌对金属材料损伤的影响,对比了方斑和圆斑的冲击情况。测试数据显示试件 表面损伤形貌与光斑一致且圆斑造成的损伤更严重。
激光技术 损伤特性 激光冲击 金属材料 衍射光学元件 laser techniques damage characteristics laser shock metallic material diffractive optical element
