研究背景

在高速風(fēng)洞內(nèi)開展激光破壞實驗，是高速目標(biāo)激光破壞機理研究的一種重要手段。開展此實驗不僅需要同時具備高速風(fēng)洞與高能激光的實驗裝備條件，還要在實驗過程中獲取足夠充分的多物理場動態(tài)信息。

激光輻照面的損傷演化原位觀測是其中的一個關(guān)鍵技術(shù)。在強激光輻照下，靶材表面迅速升溫并形成高溫強輻射，加之激光輻射以及高速風(fēng)洞環(huán)境干擾等因素，激光輻照面的瞬態(tài)燒蝕行為被直接觀測的難度極大，目前還未有實質(zhì)性進展。

目前常用的分析方法是在實驗結(jié)束后對靶材進行測量，獲取最終的燒蝕形貌、燒蝕深度或平均質(zhì)量燒蝕速率等數(shù)據(jù)，利用掃描電鏡觀察材料表面顯微組織特征，采用能譜分析對材料表面化學(xué)成分進行定性和半定量的分析，或用X射線衍射對材料的相組成進行定性分析，據(jù)此推測出研究對象的激光燒蝕機理。

然而上述方法無法為激光破壞機理研究提供實時、可靠、直接的實驗數(shù)據(jù)。如何揭開高能激光輻照面損傷演化過程的神秘“面紗"，是激光破壞效應(yīng)研究領(lǐng)域亟需解決的難題。

創(chuàng)新工作

針對激光破壞效應(yīng)研究領(lǐng)域的應(yīng)用需求，中國科學(xué)院力學(xué)研究所宋宏偉研究員團隊提出了一種適用于獲取激光誘導(dǎo)高溫下材料燒蝕形貌的原位觀測技術(shù)，獲得了典型金屬材料和復(fù)合材料在超聲速切向氣流條件下的瞬時燒蝕行為。清晰的瞬時燒蝕圖像及相關(guān)圖像處理為理解復(fù)雜的激光燒蝕機理提供了更加直觀的支撐性數(shù)據(jù)。

通過光流法可以準(zhǔn)確分析金屬材料熔融尾跡區(qū)域的形成過程，即利用序列圖像灰度隨時間的變化來確定物體結(jié)構(gòu)及其運動關(guān)系。圖1（a）顯示了鈦合金尾跡區(qū)從燕尾狀轉(zhuǎn)變?yōu)橛鹨頎畹倪^程。圖1（b）可分析出復(fù)合材料的瞬時燒蝕行為：在激光能量持續(xù)輸入與切向氣流引起的機械剝蝕效應(yīng)的耦合作用下，平紋編織碳纖維增強碳化硅陶瓷基（2D C/SiC）復(fù)合材料的碳纖維層開始出現(xiàn)明顯的逐層剝離，并且剝蝕形貌以片狀剝蝕為主。

圖1 典型材料的瞬時燒蝕行為。（a）鈦合金；（b）2D C/SiC

圖2是碳纖維增強環(huán)氧樹脂基（CFRP）復(fù)合材料在不同激光功率與超聲速切向氣流條件下的動態(tài)燒蝕形貌。裸露纖維鋪層角度的變化說明了 CFRP 復(fù)合材料的燒蝕深度在逐漸變化。

圖2 CFRP復(fù)合材料在不同激光參數(shù)以及來流條件下的瞬時燒蝕行為。（a）激光功率為1000 W，無來流；（b）1000 W，Ma 1.8；（c）1000 W，Ma 3.0；（d）2000 W，Ma 3.0

以纖維作為參考粒子，基于粒子圖像測速法獲得了CFRP的瞬時燒蝕深度，計算結(jié)果如圖3所示。圖3（a）中的速度矢量云圖代表了不同鋪設(shè)角度下纖維的運動方向，當(dāng)速度矢量方向發(fā)生變化時，即認為 CFRP 復(fù)合材料中的單層材料已經(jīng)燒蝕，此時記錄一次燒蝕深度，從而獲得瞬時燒蝕深度。

不同于實驗后測量獲得的線性平均燒蝕速率，基于上述方法獲得的瞬時燒蝕深度呈明顯的非線性行為。由圖3（b）所示的瞬時燒蝕深度可知，復(fù)合材料在超聲速切向氣流下的激光燒蝕深度與激光功率密度、來流速度均相關(guān)。

圖3 CFRP 復(fù)合材料在超聲速切向氣流作用下的激光燒蝕行為。（a）速度矢量云圖；（b）不同功率和馬赫數(shù)下的瞬時燒蝕深度

后續(xù)工作

團隊后續(xù)將提高原位觀測技術(shù)的測量精度，利用數(shù)據(jù)分析法獲取微觀尺度下的激光破壞行為，結(jié)合其他多物理場原位測量技術(shù)，為進一步理解高速來流條件下的激光破壞機理提供基礎(chǔ)性支撐。

參考文獻： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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