两种纤维增强复合材料连续激光烧蚀阈值测量及吸收特性分析

　　纤维增强类复合材料如芳纶纤维/环氧、碳纤维/环氧复合材料,由于具有比强度高、比模量高等特点,被广泛应用于航空、航天、机械制造等领域。激光与纤维增强类复合材料相互作用时,由于树脂基体是高分子有机化合物,激光辐照升温后容易发生热分解引起质量迁移,材料出现烧蚀。如果激光继续辐照,基体和纤维将发生氧化反应,甚至是起火燃烧形成炭化层,此时激光与材料作用,其吸收特性将发生变化。因此,确定复合材料的激光烧蚀阈值和研究烧蚀前后激光与材料的吸收特性对准确计算复合材料的温度场、烧蚀深度等参数,以及激光辐照下复合材料和结构的热力学响应和破坏效应研究有着重要意义。目前,复合材料烧蚀机理、烧蚀形貌以及热损伤规律等研究工作开展较多[1-5],对于激光作用下,复合材料烧蚀阈值测量,材料参数对烧蚀阈值的影响以及烧蚀前后,复合材料对激光能量吸收特性研究的报道相对较少。

　　本文通过双积分球-光电管测试系统和摄像记录的方法,分别对芳纶纤维/环氧和碳纤维/环氧两种复合材料在连续激光作用下的烧蚀阈值和烧蚀过程中材料对激光能量的吸收特性进行了实验研究,得到了材料厚度对烧蚀阈值的影响规律以及烧蚀前后连续激光与材料的吸收特性。

　　1　复合材料的激光烧蚀

　　激光辐照在材料表层因各种机制引起的质量迁移、消蚀或散失现象称为激光(热)烧蚀[6]。不同的复合材料对激光的吸收机制不一样,存在体吸收、面吸收等方式,因此,复合材料的烧蚀阈值主要根据激光对材料的辐照效应特点,通过设计实验来确定。激光辐照过程中,烧蚀阈值是判断激光作用物理机制的一个关键,它可以为数值计算中的对应过程提供参数。当激光作用到复合材料表面时,如果其表面没有发生任何物理或化学变化,那么表面对固定功率激光的反射率也是不会变化的,当材料表面发生烧蚀时,通常认为,由于材料表面状况出现变化,对固定功率激光的反射率也将发生变化,使得烧蚀前后材料对激光能量的吸收率不同,将在反射率随时间变化的曲线上形成拐点。

　　2　测试原理及实验装置

　　激光辐照过程中,材料对激光的反射率可以通过积分球-光电管进行实时测量[7]。根据芳纶纤维/环氧和碳纤维/环氧复合材料在烧蚀前,其反射率随激光功率增加而增大的特点,以及目前对复合材料烧蚀后反射率将出现变化的认识,提出了在逐渐增加材料表面入射激光功率的情况下依据测量得到的反射率来确定复合材料烧蚀阈值的测量方法。

　　对反射率进行实时测量的实验装置如图1所示。实验前,利用功率计和参考积分球-光电管系统对进入到参考积分球内的激光能量与光电管测量的电压进行标定,得到标定曲线。辐照过程中的反射率利用双积分球-光电管系统进行实时测量;作用到材料表面的激光功率密度通过调节激光器和透镜来完成,材料表面激光功率由参考积分球-光电系统测量的电压值与标定曲线,并结合光路的分光比例来确定。实验时,入射激光功率从0逐渐增大,直到材料发生烧蚀。为了避免复合材料烧蚀产物对积分球内部的污染,实验时复合材料样品与积分球之间存在一定间隙;为了避免激光辐照过程中杂散光的影响,在光电管前放置了1.319μm窄带滤光片。