掺杂相对ZrB2陶瓷涂层抗激光烧蚀性能的影响

耐高温陶瓷作为高熔点材料,具有优异的高温抗烧蚀性能,有可能满足未来抗激光防护的需求。为摸清ZrB₂陶瓷涂层抗激光防护性能,采用高功率固体激光器作为测试光源,搭建了激光烧蚀实验平台和激光耦合特性测量系统,重点对ZrB₂陶瓷涂层开展了激光烧蚀实验和涂层反射率测试。实验研究了不同激光参数条件下ZrB₂涂层抗激光烧蚀性能,以及掺杂相(SiC、MoSi2)的影响。结果表明,相比于未掺杂ZrB₂涂层,掺杂后ZrB₂涂层抗激光烧蚀能力明显下降。分析认为掺杂相可提高ZrB₂涂层抗氧化性能,但不利于发挥氧化生成物ZrO2的高反射和隔热作用,致使抗激光损伤阈值降低。激光损伤前后涂层反射率的测试结果,也证实了ZrO2的高反射率是增强ZrB₂涂层抗激光损伤阈值的关键。同时,利用有限元软件建立了连续激光烧蚀下ZrB₂陶瓷涂层温度计算模型,并以基底发生熔化为判据,仿真得到了陶瓷涂层典型的抗激光烧蚀阈值参数。     

激光作用下环氧/硅树脂复合涂层的1.3μm反射特性研究

利用共轭反射计装置,开展了真空环境中激光作用下环氧/硅树脂双层结构复合涂层的1.3μm反射特性研究,测量得到了涂层反射率随样品背表面温度的变化曲线。通过有限元分析和界面热阻修正得到了反射率随涂层温度的变化关系,探讨了反射率随温度的变化机理。研究结果表明,红外连续激光损伤环氧/硅树脂复合涂层,主要表现为底漆热解引发的鼓包分层和面漆热解导致的烧蚀变色;常温下涂层对1.3μm激光的反射率约为0.80,激光辐照初始时变化不明显,鼓包前后出现波动,测量区涂层鼓包、烧蚀后反射率显著下降,最终保持在一个相对较低值;反射率变化与涂层热解过程、损伤方式密切相关,涂层对1.3μm激光的反射率变化存在3个特征温度,分别对应底漆热解、面漆热解和表面状态趋于稳定时的温度。     

Ma=6空气流中涂层材料的激光破坏特性及其流动干扰

面向激光的应用新场景,搭建了Ma=6的切向空气流与连续激光辐照协同作用的材料损伤试验平台,开展了有无高超声速气流作用下激光对材料的致伤特性及其对气流流场的干扰等方面研究,给出了静止空气和Ma=6风洞模拟气流环境中涂层材料的破坏特性以及材料损伤产生的干扰流动结构。与静止空气中激光辐照材料烧蚀现象相比,在高超声速空气流作用时,涂层材料受激光辐射产生的破坏特征明显不同,激光功率较小时涂层材料呈现出更大的破坏面积,激光功率较大时涂层材料形成更深的烧蚀坑。受材料烧蚀扰动,流场经过激光辐照产生烧蚀结构时形成了类似于热射流或小突起物的绕流流动结构。这又反向影响材料的烧蚀,导致激光光斑辐照区域的上下游及横侧向产生与静态烧蚀明显不同的特征。这些新特征对于工程应用具有重要指导作用。     

多脉冲飞秒激光对锗材料的烧蚀效应

 开展了脉宽为40 fs的不同数量激光脉冲对锗材料的烧蚀效应实验,采用扫描电镜、激光共聚焦显微镜等方法对不同数量的飞秒激光脉冲作用下锗材料表面烧蚀区进行了检测,并对作用后材料烧蚀形貌演化规律进行了分析,初步分析了锗材料烧蚀区周围形成的不同环区的形貌特征及成因,对各环区烧蚀形貌特征随激光作用脉冲数的增加而产生的形貌演化过程进行了观测。并给出单脉冲飞秒激光对锗材料的烧蚀阈值为1.2 J·cm^-2,采用激光共聚焦显微镜测得该阈值条件下单个飞秒激光脉冲对锗材料的烧蚀深度约为150 nm。     

石墨改性环氧树脂抗强激光辐照性能

 在激光硬杀伤防护体系研究中,制备了鳞片石墨改性环氧树脂涂层,分析了它与辐照激光能量耦合作用规律,研究了其热烧蚀性能、隔热性能等抗激光辐照性能,并对不同参数激光辐照后该材料的损伤形貌进行宏观、微观分析,确定了损伤阈值与损伤形式。实验结果表明：石墨改性环氧树脂具有优良的抗强激光辐照性能,连续激光辐照下功率密度损伤阈值高于2 kW/cm²;高温下与激光能量耦合系数仅为10%左右,稳定热烧蚀率低至μg/J量级;具备优良的纵向隔热性能,高温下热导率在10 W·K^-1·m^-1以下;低功率密度激光辐照下损伤形式为轻微氧化,高功率密度激光辐照下则以汽化烧蚀为主;材料制备工艺简单,成本低廉,与被加固材料界面结合良好。     

脉冲激光烧蚀材料等离子体反冲压力物理模型研究与应用

分析了脉冲激光烧蚀材料等离子体等温膨胀阶段的物理特性,建立了脉冲激光烧蚀材料等离子体压力三维方程与动力学模型.应用所建模型,数值分析了单脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮等离子体相关特性,得到等离子体的反冲压力最大值870 Pa出现在约25 ns后,距离砂轮表面距离约0.05 mm处.相关条件下开展脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮试验,采用高速相机观测烧蚀砂轮过程中的飞溅现象;采用光栅光谱仪测量等离子体空间发射光谱,计算了等离子体电子温度、电子密度以及反冲压力.实验表明脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮等离子体反冲压力可以不计,同时也验证了气体方程与动力学模型的正确性和可行性,对脉冲光纤激光烧蚀工艺优化具有启示意义.     

基于等离子喷涂的反射型激光防护涂层研究

本文首先介绍了激光武器在未来战争中的突出地位和发展现状,阐明了高能激光束与目标材料相互作用时的热效应毁伤机理;总结了基于等离子喷涂的反射型激光防护涂层的研究进展,包括等离子喷涂金属涂层和陶瓷涂层的研究进展、以及各自的技术特点和防护效果,为高能激光防护领域的研究提供了借鉴。研究结果表明,控制金属涂层在激光辐照过程中的氧化现象能有效地提高涂层的激光防护性能,同时具有优异反射性能的新型陶瓷涂层在高能激光防护领域中有较好的发展前景。     

飞秒激光烧蚀金属靶的冲击温度

在明确飞秒激光与物质相互作用过程冲击温度概念的基础上, 讨论了飞秒激光烧蚀铝靶和铜靶过程中的冲击温度与其他物理量的关系, 利用飞秒激光烧蚀金属的双温模型提取了冲击温度的绝对值, 基于非傅里叶热传导模型计算了冲击温度的分布. 此项研究结果对飞秒激光安全加工含能材料有借鉴意义. 关键词： 飞秒激光 含能材料 烧蚀 冲击温度     

单脉冲飞秒激光烧蚀炸药过程的热效应研究

飞秒激光能够在极短时间内烧蚀炸药产生高温高压等离子体。可以利用飞秒激光对含能材料或含能元器件进行精密加工。深入认识飞秒激光烧蚀炸药过程中,炸药内部的热效应是发展飞秒激光加工炸药技术的基础。建立了单脉冲飞秒激光烧蚀炸药过程的流固耦合计算模型,考虑了在高温高压等离子体和炸药自热反应的共同作用下,炸药内部的热效应。对飞秒激光烧蚀TNT炸药过程进行了流体力学数值模拟。计算结果表明:TNT炸药中未烧蚀区域产生了热效应,峰值温度高于TNT炸药的点火温度,但由于炸药内热效应区域极小,高温持续时间极短,因此炸药内温度迅速下降,没有发生点火现象。     

高强度二倍频激光辐照银薄膜靶的烧蚀和X光辐射实验研究

激光聚变物理实验中,背光透视照相是靶丸内爆动力学过程观测的重要方法. Ag是一种重要的背光材料, 激光辐照产生的等离子体可以产生强L线辐射, 研究其烧蚀和辐射特性, 对提高内爆靶丸背光透视照相的图像质量具有十分重要的意义.在神光II装置上, 采用第九路输出的2 ns, ～ 5× 10¹⁴ W/cm², 526.5 nm激光均匀辐照Ag薄膜靶, 实验研究了其烧蚀特性, 获得了银薄膜靶在激光烧蚀驱动下的飞行轨迹和飞行速度的数据. 实验结果与一维辐射流体力学模拟结果相符. 火箭模型对实验数据进行拟合, 得到了Ag材料的质量烧蚀速率和烧蚀压的数据. 采用平面晶体谱仪和X射线二极管探测器阵列观测等离子体的辐射特性, 获得了Ag等离子体辐射光谱和L线转换效率, 实验结果对激光聚变内爆靶丸背光照相的实验设计具有重要的参考价值.     

散射光信号与石墨-二氧化硅激光辐照烧蚀阈值的关系

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/cm~2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/cm~2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1.5 s和0.8 s。     

脉冲激光烧蚀制备纳米Si晶粒成核气压阈值及动力学研究

采用脉冲激光烧蚀技术,在室温、低压Ar气条件下通过改变气体压强及靶与衬底间距,对纳米Si晶粒成核的气压阈值进行了研究.根据扫描电子显微镜图像、拉曼散射谱和X射线衍射谱对制备样品的表征结果,确定了在室温、激光能量密度为4 J/cm²、靶与衬底间距为3 cm条件下形成纳米Si晶粒的阈值气压为0.6 Pa.结合流体力学模型和成核分区模型,对纳米晶粒的成核动力学过程进行了分析.通过Monte Carlo数值模拟,表明在气相成核过程中,烧蚀Si原子的温度和过饱和密度共同影响着纳米晶粒的成核. 关键词： 脉冲激光烧蚀 成核 气压阈值 Monte Carlo数值模拟     

纤维增强复合材料激光烧蚀效应的数值模拟

考虑材料的热解、氧化、相变及辐射和内外对流换热等物理过程,给出了激光烧蚀纤维增强复合材料的物理模型及数学模型。以碳纤维/环氧树脂复合材料为例,编程计算了材料的激光烧蚀过程,计算结果与实验结果符合得较好。计算结果表明：考虑复合材料的内对流时得到的结果更准确;较强功率密度激光辐照时,氧化对烧蚀的贡献可以忽略;功率密度一定时,烧蚀质量随时间近似为线性变化,功率密度越高,烧蚀效率越高。以辐照结束时背表面温度及烧蚀质量为目标物理量,对烧蚀过程做了参数敏感性分析,结果表明：热容及热导率对背表面温度的影响较大;树脂含量对烧蚀质量的影响较大,但其相对敏感度随激光功率密度增加而下降;激光功率密度超过1 kW/cm2时,辐射系数对烧蚀质量影响较大,但其相对敏感度随激光功率密度增加而下降。     

激光烧蚀聚甲醛的热-化学耦合模型及其验证

针对激光辐照聚甲醛的烧蚀现象,建立了一种包含升温、相变、热解及热解产物飞散等过程的热-化学耦合模型.采用无规热解模型描述聚甲醛升温后的热解过程,给出了不同热解率下热解产物的组成.利用基团贡献法计算烧蚀产物组分的热力学性质,并按照混合法则确定烧蚀产物混合物的名义标准沸点和临界温度.当烧蚀产物温度低于临界温度时,以液态蒸发机理表征热解产物的烧蚀,用Knudsen层关系式计算烧蚀质量;反之热解产物飞散由气体动力学机理控制,采用间断守恒关系及Jouguet条件描述烧蚀进程.本模型可给出激光辐照下聚甲醛的烧蚀质量、烧蚀温度、烧蚀产物组成和不同机理的烧蚀比率.与实验结果对比表明,当激光能量密度小于30 J/cm2时本模型能准确地描述烧蚀过程.     

Removing paint from a metal substrate using a flattened top laser

In this paper,we investigate laser cleaning using a flattened top laser to remove paint coating from a metal substrate.Under the irradiation of a flattened top laser,the coating paint of the metal substrate can be removed efficiently by laser induced ablation,stress,and displacement force.The temperature distribution,stress,and displacement are calculated in the coating layer and substrate using finite element analysis.The effects of a Gaussian laser and a flattened top laser and the results of different diameters of laser spot are compared.The investigation shows that the flattened top laser can reduce the substrate damage and enhance the cleaning efficiency.This method meets the need of large area industrial cleaning applications by optimizing the flattened top laser parameters.     

TEA CO2 laser ablation of coronary artery

Summary One of the prerequisites for successful laser angioplasty is the ablation of the atherosclerotic lesions, without thermal or shock-wave damage of the healthy tissue. In this study was evaluated the effectiveness of a TEA CO₂ laser, emitting pulses of the lower TEM mode, 100 ns duration, at a repetition rate of 2.4 Hz, for the ablation of cardiovascular tissue. Normal and atherosclerotic human arteries (post mortem) were irradiated for a range of fluences up to 10J pulse⁻¹ cm⁻². After irradiation, the samples were prepared for histologic examination. The results showed that controlled ablation of normal and atherosclerotic coronary artery can be accomplished with the TEA CO₂ laser, with minimal thermal damage.     

Thermal characteristics of double-layer thin film target ablated by femtosecond laser pulses

Thermal characteristics of tightly-contacted copper--gold double-layer thin film target under ablation of femtosecond laser pulses are investigated by using a two-temperature theoretical model. Numerical simulation shows that electron heat flux varies significantly on the boundary of copper--gold film with different maximal electron temperature of 1.15×10³ K at 5 ps after ablating laser pulse in gold and copper films, which can reach a balance around 12.6 ps and 8.2 ps for a single and double pulse ablation, respectively, and in the meantime, the lattice temperature difference crossing the gold--copper interface is only about 0.04×10³ K at the same time scale. It is also found that electron--lattice heat relaxation time increases linearly with laser fluence in both single and double pulse ablation, and a sudden change of the relaxation time appears after the laser energy density exceeds the ablation threshold.     

Fixation of bioactive calcium alkali phosphate on Ti6Al4V implant material with femtosecond laser pulses

Bone implants made of metal, often titanium or the titanium alloy Ti6Al4V, need to be surface treated to become bioactive. This enables the formation of a firm and durable connection of the prosthesis with the living bone. We present a new method to uniformly cover Ti6Al4V with a thin layer of ceramics that imitates bone material. These calcium alkali phosphates, called GB14 and Ca10, are applied to the metal by dip coating of metal plates into an aqueous slurry containing the fine ceramic powder. The dried samples are illuminated with the 790 nm radiation of a pulsed femtosecond laser. If the laser fluence is set to a value just below the ablation threshold of the ceramic (ca. 0.4 J/cm²) the 30 fs laser pulses penetrate the partly transparent ceramic layer of 20-40 μm thickness. The remaining laser fluence at the ceramic-metal interface is still high enough to generate a thin metal melt layer leading to the ceramic fixation on the metal. The laser processing step is only possible because Ti6Al4V has a lower ablation threshold (between 0.1 and 0.15 J/cm²) than the ceramic material. After laser treatment in a fluence range between 0.1 and 0.4 J/cm², only the particles in contact with the metal withstand a post-laser treatment (ultrasonic cleaning). The non-irradiated rest of the layer is washed off. In this work, we present results of a successful ceramic fixation extending over larger areas. This is fundamental for future applications of arbitrarily shaped implants.     

激光熔覆原位合成Nb(C,N)陶瓷颗粒增强铁基金属涂层

采用预涂粉末激光熔覆技术,在42CrMo基体上制备出原位合成Nb(C, N)颗粒增强的铁基复合涂层。X射线及扫描电镜分析结果表明:激光熔覆获得的涂层基体为耐氧化、耐蚀性良好的Fe-Cr细晶组织及少量的-Fe相,原位合成的Nb（C, N）呈块状弥散分布在基体上。进一步的磨损试验表明:这些颗粒增强相极大增强了抗磨损性能,与未熔覆的母材相比,其磨损失重仅为母材的1/9左右; 涂层在750 ℃恒温氧化条件下具有较好的抗氧化性能,氧化层主要由NbO1.1,Cr2O3相组成; 母材的氧化产物为Fe2O3,容易脱落,保护性能较差; 激光熔覆涂层的氧化膜厚度仅为未涂层的1/5。