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C_f/E复合材料的重频激光烧蚀机理及加固涂层研究

作　者: 穆景阳
导　师: 白书欣；万红
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 重频激光碳纤维增强树脂基复合材料 E-51环氧树脂烧蚀热烧蚀率烧蚀涂层
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

本文系统研究了碳纤维增强环氧树脂基复合材料（简称C_f/E复合材料）及其树脂基体E-51固化体在重频Nd:YAG激光辐照下的烧蚀机理,并通过对几种烧蚀涂层改性前后的抗激光性能进行分析,初步对复合材料的抗激光加固技术进行了研究。E-51固化体和C_f/E复合材料的重频激光烧蚀机理研究主要包括两种材料在激光辐照下的烧蚀过程、热烧蚀率的变化规律以及C_f/E复合材料的烧蚀阈值等。研究表明,E-51固化体对波长为1064nm的实验用激光不存在强吸收,在弱光辐照下,透射率达到90%以上。激光对E-51固化体的起始烧蚀是由于表面吸收产生的热沉积造成的。碳纤维的复合减少了光透射率,增大了光吸收率。环氧树脂基体的激光烧蚀过程包括树脂的裂解、裂解气体在空气中的燃烧、炭化层的形成以及裂解残碳的汽化。C_f/E复合材料在重频激光辐照下的烧蚀包括树脂基体的烧蚀和碳纤维的烧蚀两部分。碳纤维的烧蚀是由于辐照区温度达到碳的汽化温度导致的汽化烧蚀,基体树脂裂解气体形成的气氛保护作用避免了碳纤维在高温下发生氧化。重频激光辐照下,由于树脂基体的起始裂解温度仅为300℃,因此,在占空比为0.02、峰值功率密度为210W·cm^-2的较低强度激光辐照下已开始产生烧蚀。碳纤维的汽化烧蚀阈值主要由峰值功率密度决定,重复频率变化对复合材料的损伤形式影响不大。当脉宽为1ms时,碳纤维烧蚀所对应的峰值功率密度阈值约20kW·cm^-2。材料的热烧蚀率决定于材料与激光的热耦合系数的变化。树脂基体热烧蚀率随辐照时间的延长逐渐增大,当表面形成稳定炭化层时,其热烧蚀率达到稳定,而C_f/E复合材料的热烧蚀率在辐照初期由于高的热耦合系数即达到最大值。E-51固化体和C_f/E复合材料的热烧蚀率随峰值功率密度升高均逐渐增加,趋于稳定时对应的稳态热烧蚀率均为12×10^-2mg·J^-1。在重复频率较低的激光辐照下,由于材料表面无法形成持续烧蚀导致热烧蚀率较低;增加重复频率,则热烧蚀率逐渐增大最后趋于稳定。烧蚀涂层抗激光性能研究包括几种烧蚀涂层的抗激光性能评价、填加填料后改性涂层的抗激光性能分析和研究等。研究表明,在几种烧蚀涂层中,无机填料组分为KAl₃Si₃O₁₁和TiO₂的环氧改性有机硅烧蚀涂层具有最好的绝热性能和抗激光烧蚀性能,绝热指数达到4.4s·mm^-1,热烧蚀率在峰值功率密度8.0kW·cm^-2、占空比0.02、辐照10s的条件下为6.4×10^-2mg·J^-1。与未填加填料的烧蚀涂层相比,填加不同填料后改性涂层的抗烧蚀性能均有所提高,但绝热性能下降。由于鳞片石墨在所选填料中具有反射率高、烧蚀阈值高、厚度方向热导率小等优点,填加鳞片石墨的改性涂层在几种改性涂层中具有最好的抗烧蚀性能和绝热性能。

C_f/E复合材料的重频激光烧蚀机理及加固涂层研究

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