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耐烧蚀材料的详细介绍

发布时间:

2021/09/15 00:00

显然,fs激光只有在达到一定能量密度时才能烧蚀或修饰材料,因此fs激光烧蚀材料时存在阈值效应。如果仅改变fs激光的能量,并且fs激光的其他参数保持不变,对于特定材料,存在可能导致材料烧蚀的最小fs激光能量,该值被视为该条件下材料的烧蚀阈值。然而,激光脉冲烧蚀材料存在很大的不确定性。因此,如果使用具有烧蚀阈值能量的激光烧蚀材料;将获得不同的处理效果。研究人员通常使用产生烧蚀率超过50%的激光能量作为材料的烧蚀阈值。此外,孵化效应在激光脉冲烧蚀材料中也起着重要作用。具体而言,在相同能量下,两个或多个脉冲烧蚀材料的阈值低于相同条件下单个脉冲的阈值。

通过超快激光加工得到的微织构种类繁多。基本上,它分为1)沟槽和柱,2)立方体和网格,3)坑。其形成机理是辐射到材料表面的激光能量密度高于材料的烧蚀阈值,导致表面材料的去除。在不同的激光烧蚀路径和扫描时间条件下,可形成不同的微结构。在这一部分中,我们将重点讨论微织构的形貌和加工参数。

如果我们看一下进入市场的激光系统,那就是超短脉冲(USP)激光。从物理学的角度来看,它只是一种固态激光器,它使用复杂的技巧来产生极其强大的脉冲,这些脉冲的长度短于或短于皮秒。由于其强度高,它们可以在很短的时间内烧蚀几乎所有材料。在简化视图中,物料在热量散发到周围之前就被吹走了。因此,在相邻材料中很少有受热影响的区域,这就是为什么该过程通常被称为冷烧蚀的原因。

随着脉冲持续时间的减小,热影响减小,烧蚀区域边缘更平滑。当脉冲持续时间为皮秒级或小于皮秒级时,称为超快激光。使用超快激光可以有效地避免长脉冲和低强度激光引起的材料熔化和连续蒸发现象,并大大提高加工质量。当脉冲持续时间大于电子-声子耦合弛豫时间(几皮秒)时,称为热烧蚀。当脉冲持续时间小于电子-声子耦合弛豫时间时,称为非平衡烧蚀。在非平衡热烧蚀的情况下,因为脉冲持续时间小于晶格之间的传热时间。在传热发生之前,处理完成。所以被称为。

因此,我们发现,虽然通过超快激光制造的微尺度结构在形态上有所不同,但其形成机制类似,即烧蚀或自组织。就功能性而言,微观纹理对材料表面的润湿性有很大影响,这将改变材料的亲水性和疏水性。

激光烧蚀过程中的材料去除主要有三种方式:气化、熔化和液体喷砂。然而,对于超短脉冲激光器,声称,表面液体喷砂在材料去除过程中起主导作用。Fs激光器具有超高峰值功率和超短脉冲作用时间。当激光烧蚀金属时,金属烧蚀区域的表面将出现高温液体。如果这种高温液态金属受到高能激光的照射,它将变得极不稳定,如图4所示。

科研人员在舱体表面设计了防热涂层,敷设有一层烧蚀材料。当达到一定温度时,烧蚀材料升华脱落,带走大量热量。此外,返回前会实施,提前将返回舱温度降低少许,使飞船再入大气层前舱内温度有一个较低基准。()

超快激光器,即在皮秒或亚皮秒范围内的脉冲激光器,在过去三十年中改变了高精度激光制造业。自20世纪90年代中期以来,它们的两个特征已被证明对材料加工有很大的影响。它们的短脉冲持续时间和相关的高峰值功率提供了一种特殊类型的烧蚀,适用于所有材料,其中电子在热传递到晶格之前在等离子体中电离。实际上,这意味着激光与物质的相互作用在材料中产生任何热量之前就结束了,这提供了一个几乎无热的过程。再加上激光加工的典型焦距,以及允许在几乎任何材料上相互作用的高光功率,潜在的好处是显而易见的:任何材料的微加工都具有高精度、小特征尺寸,并且没有热效应,例如裂纹形成或表面熔化。

激光技术广泛应用于工业材料加工:如切割和打标、钻孔、焊接、材料烧蚀。特别是激光烧蚀表面清洗的应用程序在几个领域:例如,剥离涂料制造障碍和环境之间的表面,石油润滑油的清洁,生锈或油漆表面的钢制造,碳质沉积在发动机部件。当然,去除金属表面(不锈钢,硅片,铝合金)的连续层或颗粒。

烧蚀防热材料利用高温固液气反应和表面热辐射消耗外部加热,从而实现热保护。聚合物基防热材料有着宽度较高的耐高温范围,目前是最主要的烧蚀防热材料。

图6铜基合金烧蚀机理的拟议模型:激光处理期间激光表面材料与空气中氧气的相互作用。浅蓝色的方块描绘了18O合并;圆形放大倍数表示氧气通过颗粒边界的传输和掺入(浅蓝色)。

仅高平均功率激光器的可用性不足以保证高烧蚀效率和大规模微处理。以高重复率、高平均功率激光照射材料意味着,即使单个脉冲、超快相互作用的余热沉积非常低,脉冲之间的热量逐渐累积也会导致不必要的热效应,严重降低加工质量,并否定超快激光加工的好处。有两种策略可以缓解热量积聚。

科研人员在舱体表面设计了防热涂层,敷设有一层烧蚀材料。当达到一定温度时,烧蚀材料升华脱落,带走大量热量。此外,返回前会实施,提前将返回舱温度降低少许,使飞船再入大气层前舱内温度有一个较低基准。

材料的激光烧蚀阈值是在激光与材料相互作用过程中诱导不可逆材料分解所需的最小激光能量密度。通过绘制有效烧蚀区直径与激光脉冲能量的关系图,可以推导出材料的饱和激光阈值:

不过,这并没有解释清楚返回舱没被烧黑的全部原因,实际上,还有一个因素值得一提,那就是它的防热大底虽然是采用烧蚀材料的,但后壳位置用的却是非烧蚀材料,自然不会被烧黑。

经历了数不清的通宵达旦技术攻关和技术归零,最终保证了返回舱的防热材料性能和防热结构的外型装配精度满足设计要求,顺利通过了历次飞行考核试验,为飞船返回舱披上了可靠的。飞船在返回地面时由于大气的摩擦,要耐受几千度的高温,正是由于有了飞船外层的烧蚀防热材料保护,宇航员才能返回。

的实验研究表明,飞行器表面的防热材料可以忍受0.3~30MW/m2的热环境[3]。各个国家所采用的烧蚀防热材料不尽相同,例如欧洲的猎犬2号,采用的是密度为0.47g/cm3的酚醛树脂基材料,美国的阿波罗飞船采用密度约为0.5g/cm3的蜂窝增强结构防热材料,这种蜂窝状材料是将各种填料和树脂基体填充至玻璃钢蜂窝内部后制成的,我国的神舟系列载人飞船主体采用的也为蜂窝增强树脂基烧蚀防热材料,这种材料具有耐高温、密度低、结构刚性强、成型一致性好等优点。通过下面方州等人的研究,我们可以大致从实验室角度了解一下这种材料的出色性能。

考虑到在使用皮秒脉冲激光源进行加工时,金属中的烧蚀阈值非常低,因此必须小心管理应用的激光注量,以限度地提高材料去除效率,同时将有害热影响降至。尽管空间波束成形和超高速波束扫描允许进行此类优化,但这些方法通常成本高、复杂且不灵活。另外,SpectralPhysics的IceFyre激光器允许在时域内进行简单的脉冲强度调整,这种方法已被证明能够提高铜和不锈钢的材料去除率。此外,IceFyre激光器已经证明,它可以在不锈钢中创造非常高的质量特征,而不锈钢传统上是一种具有挑战性的加工材料。

图6给出了再氧化效应如何发生的示意图。在激光照射后,烧蚀区(激光束区域下方)已包含18O,无论移除层的深度如何。激光处理区域周围重新沉积的材料也可能会出现18O的掺入,这可能是在激光烧蚀过程中发生的(不是本实验的主题)。

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