激光辐照效应

1、简介切向气流作用下，连续波激光对纤维增强树脂基复合材料的辐照效应研究目前还不够深入。本文对该问题开展实验、理论和数值模拟研究，将空气气流、氮气气流和无气流状态下的辐照效应进行比较，以分析空气气流的作用。将激光功率密度设定为 205W/cm2。吹空气气流时，气流速度分别设置为0.11Ma、0.23Ma、0.31Ma、0.4Ma、0.5Ma、0.65Ma和0.8Ma；吹氮气气流时，气流速度分别设置为0.11Ma、0.23Ma、0.31Ma和0.4Ma。进行实验分析，得出合理的初步验证。1背景及意义1.1 复合材料在无人机上的应用复合材料是由两种或两种以上性质不同的材料通过不同的工艺方法结合而成的一

2、种多相材料，主要组分是增强材料和基体材料。复合材料不仅保持了增强材料和基体材料本身的优点，而且通过各相组分性能的互补和关联，可以获得更优异的性能1。在复合材料家族中，纤维增强树脂基复合材料占有重要地位。这类复合材料的增强材料是各类纤维，例如碳纤维、玻璃纤维、硼纤维和芳纶纤维等，基体材料是树脂，例如环氧树脂、酚醛树脂、有机硅和聚酯等2。这类复合材料因其优异性能在无人机上得到了广泛应用。在无人机上使用纤维增强树脂基复合材料的优点是多方面的。这类材料的密度比常用金属材料小很多，可以有效减轻机体质量；具有优异的可设计性，可根据飞机的强度和刚度要求进行优化设计；具有良好的耐腐蚀性，可满足无人机在恶劣环境

3、下长寿命的特殊要求，降低维护成本；易于植入芯片或合金导体，形成智能材料、结构；其中的聚合物基复合材料具有特殊的电磁性能，适当设计可满足无人机结构/功能一体的高隐身技术要求3。纤维增强树脂基复合材料的应用对无人机结构轻质化、小型化和高性能化起到了至关重要的作用。据统计，当今世界上各种先进的无人机，复合材料的用量一般占机体结构总重的60%80%，甚至高达 90%以上4。例如，美国诺斯罗谱·格鲁门公司为美空军研制的“全球鹰”高空长航时无人侦察机，除机身主结构为铝合金外，其余（包括机翼、尾翼、后机身、雷达罩和发动机整流罩等）均由碳纤维/环氧、玻璃纤维/环氧和芳纶纤维/环氧复合材料等制成，复合

4、材料的用量约占结构总重的 65%，其中长达 35m 的机翼由Cytec公司提供的高模碳纤维/环氧复合材料制造5。1.2 美国的激光反无人机实验现代战争中，无人机的作用非常突出。无人机具有无人驾驶、体积小、造价低和战场生存力强等特点，可用于完成侦察、监视、通信中继、电子干扰和攻击等任务6，已经越来越多地投入了实际战场。如何有效拦截无人机，这是各军事大国都很关注的问题。利用高能激光束来拦截，具有攻击速度快、命中精度高、火力转移快、抗电磁干扰及效费比高等优点7。经过几十年的发展，高能激光武器技术取得了很大进展，激光反无人机已经具备了现实可能性。2010 年 5 月，在加利福尼亚州沿海，由雷神公司研制

5、的舰载激光武器系统在战舰雷达的导引下，向距离战舰大约 3.2 公里、以 480 公里时速飞行的 4 架无人机射击，无人机在被击中之后的数秒之内着火坠落，图 1.1 给出的是无人机被激光击中着火后的视频截图。这套激光武器系统使用了 6 套固态激光设备，合成一束高能激光发射出去。据分析，该激光武器系统有望于 2016 年投入实用8。图 1.1 无人机被激光击中着火1.3 研究意义激光武器对目标的毁伤是通过定向发射的激光束与目标的相互作用来实现的。目标上被辐照区域的材料吸收激光能量后，发生变化，进而导致相关结构、系统的变化，最终导致目标的毁伤。因此，研究激光武器对目标的毁伤机理，首先需要针对目标上的

6、材料，研究激光辐照下材料的变化，即激光对材料的辐照效应。为了评估美军激光武器反无人机的实战可能性，需要研究激光对无人机的毁伤机理。由于战斗机和无人机上大量使用了纤维增强树脂基复合材料9-11，因此，需要研究激光对这类复合材料的辐照效应。环境条件（例如切向气流、真空等）对激光与物质相互作用过程有重要影响。无人机在大气中飞行时，表面存在切向气流。因此，本文研究切向气流作用下激光对纤维增强树脂基复合材料的辐照效应。本文研究成果还可应用于复合材料抗激光加固技术的研究，从而提高我国的无人机在激光攻击环境下的生存能力。2实验方案设计2.1实验装置图2.1实验装置图实验装置示意图见图2.1。半导体激光器发出

7、的 976nm 激光经空间并束辐照到靶板上，气流平行流过靶板前表面。各主要设备或仪器的作用说明如下：通光光闸：控制激光对样品的辐照时间。光电探测器 1：接收从靶板前表面反射的激光能量，以确定激光辐照样品的起止时间和辐照过程中样品对入射激光反射率的变化。光电探测器 2：接收透过样品、被置于样品之后的漫反屏反射的激光能量，以监测样品对入射激光透射率的变化。热电偶：测量样品后表面典型位置处的温度变化。记录仪：同步记录热电偶、光电探测器 1 和光电探测器 2 的信号。摄像机：记录样品前表面的动态变化。为防止反射的激光导致摄像机饱和，在镜头前安装了短波通滤光片，800nm 以上透过率很低。激光笔：当通光

8、光闸打开时，激光笔的投射点处于摄像机的视野内，便于在摄像机的视频信号中确定激光开始辐照的时刻。2.2试验样品实验针对两种样品进行，即碳纤维增强环氧树脂基复合材料样品和玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料样品，分别简称为碳纤维样品和玻璃纤维样品。样品加工成平板形状。碳纤维样品的尺寸为 70.0mm×70.0mm×3.0mm，玻璃纤维样品的尺寸为 70.0mm×70.0mm×2.0mm。两种样品的基体均由 E-51 环氧树脂和二乙烯三胺固化剂按 92:8 的质量配比混合而成。碳纤维样品采用注射成型工艺制成，碳纤维的质量分数约为 60.0%；玻璃纤维样品采用层贴法工

9、艺制成，玻璃纤维的质量分数约为66.0%。图2.2 给出了弱光下两种样品的反射率谱和透射率谱。可以看出，对于 976nm 激光，两种样品的反射率和透射率相差很大：碳纤维样品的反射率约为 8.4%，透射率几乎为零，即 91.6%的激光能量会被吸收；玻璃纤维样品的反射率约为 40.9%，透射率约为 14.7%，即44.4%的激光能量会被吸收。基于这些测量数据，在数值模拟时，对于吸收的激光能量，对碳纤维样品按面热流加载，对于玻璃纤维样品按分布的体热源加载。（a） 碳纤维样品（b） 玻璃纤维样品图2.2 两种样品的反射率谱和透射率谱实验中用K型热电偶（直径约 0.1mm）记录样品后表面典型位置处的温度

10、。为固定热电偶，在测温点钻了深度约 0.10.2mm 的小孔，再用 E-51 环氧树脂将热电偶的头部固定在小孔内。图 2.3 给出了热电偶在实验样品后表面的位置示意图。以样D(25.0mm, 35.0mm)、C(35.0mm, 35.0mm)和 U(45.0mm, 35.0mm)。、分别为英文单词 Down、Central 和 Up的首字母，表示了以气流流动方向为参考，三个测温点的相对位置。图2.3热电偶位置示意图（S 为光斑中心）3大气气流速度的影响在考察气流速度对辐照效应的影响时，将激光功率密度设定为 205W/cm2。吹空气气流时，气流速度分别设置为 0.11Ma、0.23Ma、0.31

11、Ma、0.4Ma、0.5Ma、0.65Ma和 0.8Ma；吹氮气气流时，气流速度分别设置为 0.11Ma、0.23Ma、0.31Ma 和 0.4Ma。3.1 损伤形貌图3.1给出了空气气流速度分别为 0.11Ma、0.31Ma、0.5Ma 和 0.8Ma 时，辐照后样品前、后表面的损伤形貌。可以看出，总体而言，随着气流速度的增大，辐照区的碳纤维断裂越明显；气流下游树脂发生热分解的区域逐渐缩小；固定热电偶的树脂材料的变化越不明显。摄像机的视频信号表明，空气气流时均发生了燃烧；气流速度越大，辐照区的红色亮斑在停止辐照后持续时间越短，表明气流的冷却作用越明显。图3.1不同空气气流速度下的损伤形貌（激

12、光205W/cm2）图3.2给出了氮气气流速度分别为 0.11Ma、0.23Ma、0.31Ma 和 0.4Ma 时，辐照后样品前、后表面的损伤形貌。可以看出，四种气流速度下，辐照区的碳纤维均未明显烧蚀；下游表面的树脂材料均发生了轻微的热分解。摄像机的视频信号表明，四种气流速度下，均未发生燃烧；气流速度越大，辐照区的红色亮斑在停止辐照后持续时间越短。图3.2不同氮气气流速度下的损伤形貌（激光 205W/cm2）3.2质量损失图3.3给出了两种气流状态下，质量损失随气流速度的变化。注意，这种情况下的烧蚀率与质量损失之间只差一常数，因此不再给出烧蚀率。可以看出，质量损失随空气气流速度的增大先增加后减

13、小，随氮气气流速度的增大而减小；气流速度相同时，氮气气流时的质量损失明显少于空气气流。图3.3两种气流状态下质量损失随气流速度的变化（激光205W/cm2）分析认为，样品内产生的大量热分解产物向外喷出，对入射激光产生一定的屏蔽作用。空气气流的作用主要有三个，一是吹走热分解产物减轻屏蔽作用，有助于样品烧蚀；二是提供氧气，有助于表面固体材料的氧化烧蚀和流出界面的热分解产物的氧化，有利于下游区域的热分解；三是强迫对流换热冷却样品，不利于样品的烧蚀。氮气气流只具有第一和第三种作用。对于本文的问题，当空气流的速度较低时，可以认为第一和第二种作用占主导地位，因此质量损失随气流速度的增大而增大；当气流速度较

14、大时，第三种作用开始占主导地位，这时质量损失随气流速度的增大反而减小。氮气气流下，由于没有空气气流的第二种作用，导致相同气流速度下的质量损失明显比空气气流偏低。3.3 温度曲线图 3.4 给出了空气气流速度分别为 0.11Ma、0.31Ma、0.5Ma 和 0.8Ma 时，样品中心测点的温度历史，图3.5 给出了氮气气流下的结果。可以看出，两种气流状态下，整体而言，气流速度越大，中心测点的最高温度越低。图3.4不同空气气流速度下中心测点的温度历史（激光 205W/cm2）图3.5不同氮气气流速度下中心测点的温度历史（激光 205W/cm2）图 3.6 给出了两种气流状态下，样品中心测点的最高温

15、度随气流速度的变化。可以看出，两种气流状态下，总体而言，中心测点的最高温度随气流速度的增大而减小。注意，这与空气气流速度较低时，质量损失随气流速度的变化趋势不一致。中心测点的最高温度只反映辐照区的温度变化，而质量损失则包含了下游区域树脂材料热分解的结果。当固体材料或流出的热分解产物的氧化对下游加热作用比较明显时，质量损失随气流速度的变化可能出现与辐照区后表面最高温度不一样的规律。图3.6心测点的最高温度随气流速度的变化（激光205W/cm2）4氦气气流速度的影响在考察气流速度对辐照效应的影响时，将激光功率密度设定为 295W/cm2。吹空气气流时，气流速度分别设置为 0.12Ma、0.23Ma

16、、0.31Ma、0.4Ma、0.5Ma、0.65Ma和 0.8Ma；吹氮气气流时，气流速度分别设置为 0.23Ma 和 0.4Ma。4.1损伤形貌图4.1给出了空气气流速度分别为 0.11Ma、0.31Ma、0.5Ma 和 0.8Ma 时，辐照后样品前、后表面的损伤形貌。可以看出，总体而言，随着气流速度的增大，辐照区的碳纤维断裂越明显；气流下游树脂发生热分解的区域逐渐缩小；固定热电偶的树脂材料的变化越不明显。摄像机的视频信号表明，空气气流时均发生了燃烧；气流速度越大，辐照区的红色亮斑在停止辐照后持续时间越短，表明气流的冷却作用越明显。图 4.1不同空气流速下的损伤形貌（激光 295W/cm2）图 4.2 给出了氮气气流速度分别为 0.23Ma 和 0.4Ma 时，辐照后样品前、后表面的损伤形貌。可以看出，两种气流速度下，玻璃纤维均发生了熔化，有大量的黑色产物附着在气流下游。摄像机的视频信号表明，两种气流速度下，均未发生燃烧；气流速度较大时，辐照区的红色亮斑出现得更晚。图 4.2 不同氮气气流速度下的损伤形貌（激光 295W/cm2）4.3质量损失图4.3两种气流状态下质量损失随气流速度的变化（激光 295W/cm2）