切向空气气流对激光辐照碳纤维复合材料的影响

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1、第３３卷第２期国防科技大学学报Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．２２０１１年４月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＮＡＴＩＯＮＡＬＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＤＥＦＥＮＳＥＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＡｐｒ．２０１１文章编号：１００１－２４８６（２０１１）０２－００２３－０５切向空气气流对激光辐照碳纤维复合材料的影响陈敏孙，江厚满，刘泽金（国防科技大学光电科学与工程学院，湖南长沙４１００７３）摘要：实验研究了靶材表面存在和不存在切向空气气流时，９７５ｎｍ连续激光对碳纤维增强树脂基复合材料的辐照效应，发现切向气流的加载有利于激光对碳纤维复合材

2、料的破坏。从理论上对激光辐照下碳纤维复合材料的破坏机理进行了初步分析，基于碳的氧化特性和氧化反应机理，推导了碳纤维的氧化速率方程。采用改进的光滑粒子方法，对激光辐照下复合材料树脂基热解时的３维温度场模型进行数值求解，从数值上模拟了激光对碳纤维复合材料的破坏效应，模拟结果与实验结果一致。关键词：激光辐照；碳纤维复合材料；切向气流；氧化速率；破坏中图分类号：ＴＮ２４９文献标识码：ＡＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＴａｎｇｅｎｔｉａｌＡｉｒｆｌｏｗｏｎＬａｓｅｒＩｒｒａｄｉａｔｉｎｇＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＣｏｍｐ

3、ｏｓｉｔｅＣＨＥＮＭｉｎｓｕｎ，ＪＩＡＮＧＨｏｕｍａｎ，ＬＩＵＺｅｊｉｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｔｉｏｎａｌＵｎｉｖ．ｏｆＤｅｆｅｎｓｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００７３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆ９７５ｎｍｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｗａｖｅｌａｓｅｒｉｒｒａｄｉａｔｉｎｇｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｒｅｓｉｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ，ｗｈｉｌｅｔ

4、ｈｅｆｒｏｎｔｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｔａｒｇｅｔｗａｓｐｒｏｖｉｄｅｄｗｉｔｈａｎｄｗｉｔｈｏｕｔｔａｎｇｅｎｔｉａｌａｉｒｆｌｏｗ．Ａｎａｌｙｓｉｓｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｌｏａｄｉｎｇｏｆｔａｎｇｅｎｔｉａｌａｉｒｆｌｏｗｃａｎｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｄａｍａｇｅｅｆｆｅｃｔｏｆｌａｓｅｒｏｎｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅ．Ｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｒｒａｄｉａｔｅｄｂｙｌａｓｅｒｉｓｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｉｌｙｓｔｕｄ

5、ｉｅｄｉｎｔｈｅｏｒｙ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｏｘｉｄａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｔｈｅｏｘｉｄａｔｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｃａｒｂｏｎ，ｔｈｅｏｘｉｄａｔｉｏｎｒａｔｅｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｒｍａｌｌｙｄｅｃｏｍｐｏｓｉｎｇｒｅｓｉｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｒｒａｄｉａｔｅｄｂｙｌａｓｅｒｗａｓｓｏｌｖｅｄｕｓｉｎｇｍｏｄｉｆｉｅ

6、ｄｓｍｏｏｔｈｅｄｐａｒｔｉｃｌｅｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ，ｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｒｒａｄｉａｔｅｄｂｙｌａｓｅｒｗａｓｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｅｄｔｏｂｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ；ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｔａｎｇｅｎｔｉａｌａｉｒｆｌｏｗ；ｏｘｉｄａｔｉｏｎｒａｔｅ

7、；ｄａｍａｇｅ自１９６０年Ｍａｉｍａｎ研制出世界上第一台红宝脂基复合材料破坏效应的实验研究，并从理论和石激光器后，激光作为一种以光速传播的定向集数值上对破坏机理进行分析。中的能量束马上引起了广泛的关注，已被广泛应［１－２］１实验结果及分析用于信息、医学、工业和军事等领域。碳纤维复合材料具有比强度和比刚度高、成型工艺简单、实验中采用波长为９７５ｎｍ连续波激光器，激２材料性能可设计等优点，在飞行器上得到广泛的光功率密度为１１０Ｗ?ｃｍ，光斑直径约２０ｍｍ，靶材［３－４］运用。因此，研究碳纤维复合材料在激

8、光作厚度为２ｍｍ，气流速度约３０ｍ?ｓ。图１给出的是激用下的损伤规律具有一定的理论与现实意义。光辐照碳纤维复合材料实验装置示意图，其中，摄在空气自然对流环境下，激光对碳纤维复合像机的帧频是２５帧?ｓ。［５－９］材料的辐照效应已有广泛研究。当靶材表面图２给出的是碳纤维增强树脂基复合材料在存在切向强迫空气气流时，激光辐照效应可能不９７５ｎｍ连续激光辐照下的破坏形貌，其中，（ａ）对同，阈值参数也可能变化。因此，开展在切向强迫应的是无气流时激光辐照３０ｓ，（ｂ）对应的是有气气