研究背景
在高速風(fēng)洞內(nèi)開(kāi)展激光破壞實(shí)驗(yàn)，是高速目標(biāo)激光破壞機(jī)理研究的一種重要手段。開(kāi)展此實(shí)驗(yàn)不僅需要同時(shí)具備高速風(fēng)洞與高能激光的實(shí)驗(yàn)裝備條件，還要在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中獲取足夠充分的多物理場(chǎng)動(dòng)態(tài)信息。
激光輻照面的損傷演化原位觀測(cè)是其中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。在強(qiáng)激光輻照下，靶材表面迅速升溫并形成高溫強(qiáng)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(cè)的難度極大，目前還未有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。
目前常用的分析方法是在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)靶材進(jìn)行測(cè)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(duì)材料表面化學(xué)成分進(jìn)行定性和半定量的分析，或用X射線衍射對(duì)材料的相組成進(jìn)行定性分析，據(jù)此推測(cè)出研究對(duì)象的激光燒蝕機(jī)理。
然而上述方法無(wú)法為激光破壞機(jī)理研究提供實(shí)時(shí)、可靠、直接的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。如何揭開(kāi)高能激光輻照面損傷演化過(guò)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(duì)激光破壞效應(yīng)研究領(lǐng)域的應(yīng)用需求，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所宋宏偉研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種適用于獲取激光誘導(dǎo)極端高溫下材料燒蝕形貌的原位觀測(cè)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(shí)燒蝕行為。清晰的瞬時(shí)燒蝕圖像及相關(guān)圖像處理為理解復(fù)雜的激光燒蝕機(jī)理提供了更加直觀的支撐性數(shù)據(jù)。
通過(guò)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(guò)程，即利用序列圖像灰度隨時(shí)間的變化來(lái)確定物體結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)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^(guò)程。圖1（b）可分析出復(fù)合材料的瞬時(shí)燒蝕行為：在激光能量持續(xù)輸入與切向氣流引起的機(jī)械剝蝕效應(yīng)的耦合作用下，平紋編織碳纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基（2D C/SiC）復(fù)合材料的碳纖維層開(kāi)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(shí)燒蝕行為。（a）鈦合金；（b）2D C/SiC
圖2是碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)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(dòng)態(tài)燒蝕形貌。裸露纖維鋪層角度的變化說(shuō)明了 CFRP 復(fù)合材料的燒蝕深度在逐漸變化。
以纖維作為參考粒子，基于粒子圖像測(cè)速法獲得了CFRP的瞬時(shí)燒蝕深度，計(jì)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(yùn)動(dòng)方向，當(dāng)速度矢量方向發(fā)生變化時(shí)，即認(rèn)為 CFRP 復(fù)合材料中的單層材料已經(jīng)完全燒蝕，此時(shí)記錄一次燒蝕深度，從而獲得瞬時(shí)燒蝕深度。
不同于實(shí)驗(yàn)后測(cè)量獲得的線性平均燒蝕速率，基于上述方法獲得的瞬時(shí)燒蝕深度呈明顯的非線性行為。由圖3（b）所示的瞬時(shí)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(lái)流速度均相關(guān)。
后續(xù)工作
團(tuán)隊(duì)后續(xù)將提高原位觀測(cè)技術(shù)的測(cè)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(chǎng)原位測(cè)量技術(shù)，為進(jìn)一步理解高速來(lái)流條件下的激光破壞機(jī)理提供基礎(chǔ)性支撐。
課題組介紹
中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所宋宏偉研究員課題組，面向國(guó)家重大需求，長(zhǎng)期從事強(qiáng)激光誘導(dǎo)的多場(chǎng)耦合破壞效應(yīng)、輕質(zhì)熱防護(hù)材料與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及可靠性、物理AI輔助的多功能一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的研究，具備先進(jìn)的激光破壞效應(yīng)與多物理場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、航天力學(xué)環(huán)境與可靠性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有研究員2名，副研究員3名、助理研究員2名，在讀研究生10余名。近5年來(lái)在國(guó)內(nèi)外重要期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利20余項(xiàng)，軟件登記4項(xiàng)。
通信作者介紹
宋宏偉，研究員、博士生導(dǎo)師。中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所“熱結(jié)構(gòu)耦合力學(xué)”學(xué)術(shù)帶頭人，主要從事激光誘導(dǎo)的多場(chǎng)耦合破壞效應(yīng)、多功能一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)等研究工作，主持國(guó)家自然科學(xué)基金等重要科研項(xiàng)目二十余項(xiàng)。曾榮獲力學(xué)學(xué)會(huì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)（2022）、中國(guó)科學(xué)院杰出科技成就獎(jiǎng)勵(lì)（2021）、中國(guó)科學(xué)院盧嘉錫青年人才獎(jiǎng)勵(lì)（2008）。
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