1 中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室，北京 100190
2 中国科学院力学研究所空天飞行高温气动国家重点实验室，北京 100190
3 中国科学院大学工程科学学院，北京 100049
高速气流作用下激光辐照结构诱导的热-力响应相似关系，因涉及多物理场之间的强耦合而非常复杂。笔者采用近似等效方法，将切向气流的作用等效为金属平板结构的力载荷和热载荷边界条件，建立了该耦合问题的无量纲控制方程，并结合主控因素分析，推导出了适用于高速气流与激光联合作用下的金属平板热-力响应特性的相似关系与尺度律。采用高速气流下强激光辐照金属平板的流-热-固多场耦合数值算例对该尺度律进行考核验证，结果表明：不同缩比率及不同马赫数条件下，满足该相似关系的缩比模型与原模型之间的热-力响应误差均在1%之内。本研究为高速气流条件下激光辐照缩比模型近似等效试验的开展奠定了理论基础。
激光技术 尺度律 方程分析法 金属平板 多场耦合 热-力响应 中国激光
2024, 51(12): 1202103
1 中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室，北京 100190
2 中国科学院大学工程科学学院，北京 100049
3 中国科学院力学研究所空天飞行高温气动国家重点实验室，北京 100190
建立了一种适用于强激光辐照面的高温原位观测方法，并开展了高速风洞内的激光辐照实验，获得了典型金属材料与复合材料在超声速切向气流条件下的瞬态烧蚀与破坏行为；此外，基于Horn-Schunck光流法分析了各典型材料的烧蚀特征与质点的运动速度，基于粒子图像测速法并结合复合材料铺层结构特征获得了瞬时烧蚀速度。研究结果表明，各材料的动态烧蚀行为有很大差异：在切向气流作用下，熔融态钛合金的流动模式从燕尾状转变为羽翼状，而镍基高温合金则呈雨滴状流动。基于Kelvin-Helmholtz机制分析了切向气流作用下不同金属材料击穿时间存在差异的原因。超高温陶瓷复合材料的热化学烧蚀和机械剥蚀特征与编织结构类型密切相关，并且高激光功率密度条件下的抗激光烧蚀性能与碳纤维含量成正比。
激光技术 激光破坏效应 原位观测技术 瞬态烧蚀形貌 超声速切向气流 光流法 中国激光
2023, 50(16): 1602201
1 中国科学院 力学研究所 流固耦合系统力学重点实验室，北京 100190
2 中国科学院 力学研究所 空天飞行高温气动国家重点实验室，北京 100190
3 中国科学院大学 工程科学学院，北京 100049
4 上海宇航系统工程研究所，上海 201109
为了明确高速气流对C/SiC复合材料激光烧蚀行为的影响机制，开展了不同环境下强激光对C/SiC复合材料的烧蚀对比实验研究。利用激光器与高速风洞联合实验平台，完成了静态以及Ma 1.8，Ma 3.0，Ma 6.0气流环境下2D与3DN C/SiC复合材料激光烧蚀实验。结果表明，与静态环境相比，高速气流对C/SiC复合材料的激光烧蚀行为产生了显著的影响，气流的冲刷使得烧蚀坑呈现出更宽、更深、更光滑的变化趋势。随着气流速度的增长，线烧蚀速率与质量烧蚀速率逐渐增大，主要原因为当地静压降低引起的升华速率增大，以及动压增大引起的剥蚀速率增大。此外，通过实验对比了不同构型对C/SiC激光烧蚀行为的影响。结果表明：2D C/SiC复合材料由于厚度方向更低的导热能力、更低的孔隙率等原因，其在不同环境条件下抗烧蚀能力均强于3DN C/SiC复合材料。
C/SiC复合材料 激光辐照 高速气流 烧蚀行为 C/SiC composite laser irradiation high-speed airflow ablation behaviors 强激光与粒子束
2023, 35(5): 051002
依托半导体生产线开发了基于MEMS微桥结构的微测辐射热计（micro-bolometer）器件，其中，使用化学气相沉积（CVD）技术开发了非晶硅（α-Si）薄膜工艺，并将其用作微测辐射热计器件的敏感层材料，该材料在1000 Å厚度下的膜厚均匀性可以控制在2%以内（1-sigma，within wafer），电阻均匀性可以控制在2%以内（1-sigma，within wafer），其室温下的电阻温度系数（TCR）可以达到−2.5%左右；采用先刻沟槽工艺技术开发了MEMS微桥结构的接触模块，以无支撑柱结构实现了其支撑和电连接结构；使用Ti/TiN薄金属薄膜作为电极层，并利用电极层图形实现该敏感层电阻器件的电连接和图形定义；开发了高性能敏感层电阻工艺技术，实现了对敏感层材料工艺损失和电极层侧面腐蚀的良好工艺控制。在完成微测辐射热计器件工艺开发后，对其进行了器件级测试和评估，结果表明：该器件室温电阻值在250 kΩ左右，且具有优异的欧姆接触特性；室温下器件级TCR在−2%左右，略低于非晶硅薄膜材料TCR的测试值；同时，对该器件进行的升温和降温测试结果表明，文中开发的敏感层材料没有滞回效应。最后，对该器件进行释放工艺处理形成悬空的MEMS微桥结构，经扫描电镜（SEM）和光学显微镜测试评估，其微桥表面呈现良好的平坦度和均匀性，能够很好地满足微测辐射热计及相应的非制冷红外探测器产品的技术需求。
微测辐射热计 MEMS 微桥结构 敏感层 micro-bolometer MEMS micro-bridge sensing material layer 红外与激光工程
2023, 52(1): 20220279
1 哈尔滨工程大学, 哈尔滨 150001
2 中国科学院 力学研究所 流固耦合系统力学重点实验室, 北京 100190
通过数值计算模拟了激光诱导充压柱壳的热力破坏效应，研究了典型结构的动态爆裂过程，获得的破坏模式与实验结果基本一致。给出了三类典型破坏模式及其对应的参数范围，探讨了各类破坏模式的形成机理，并分析了不同光斑尺寸、壳体厚度条件下热软化效应对破坏内压阈值的影响，以及预内压与破坏时间的关系。研究结果表明：光斑半径越大、热软化程度越高，柱壳的破坏内压阈值越低，且破坏内压阈值随着壳体厚度的减小呈线性下降；给定激光参数和壳体参数下破坏时间随预充内压增大而减小并呈二次函数关系。给出了一种通过热软化程度预估激光诱导充压柱壳破坏时间的方法。
激光辐照 热软化效应 充压柱壳 破坏模式 破坏阈值 laser irradiation thermal softening effect pressurized cylindrical shell failure mode failure threshold 强激光与粒子束
2018, 30(3): 031001
