超声速风洞中层合 CFRP 复合材料的激光瞬时烧蚀行为研究

碳纤维增强环氧树脂基 (Carbon Fiber-Reinforced Polymer, CFRP) 复合材料层合板在高速来流与高能激光辐照同时作用条件下会发生基体热解、碳纤维/热解残碳氧化、升华、机械剥蚀等复杂反应，如何明确 CFRP 复合材料的瞬时激光破坏行为与机理是激光破坏效应研究领域亟需解决的难题。针对激光破坏效应研究领域的应用需求，来自中国科学院力学研究所宋宏伟研究员及其团队在 Materials 期刊发表了文章，介绍了超声速风洞条件下层合 CFRP 复合材料瞬时激光烧蚀行为的实验方法和数值分析手段，该项研究对于高速目标激光破坏机理研究具有重要意义。

实验方法上，作者在文中提出了一种适用于获取激光诱导极端高温下 CFRP 复合材料烧蚀形貌的原位观测技术，获得了不同激光功率以及超声速来流条件下 CFRP 复合材料的瞬时烧蚀行为，如图 1 所示。激光功率密度为 1273 W/cm2 且无来流作用条件下，以基体的热解反应为主 (图 1a)。在超声速切向气流条件下，机械剥蚀效应导致裸露碳纤维断裂 (图 1b-d)；该破坏行为会随着激光功率和来流速度的增加变得更加剧烈。同时，裸露纤维铺层角度的变化说明了 CFRP 复合材料的烧蚀深度在逐渐变化。

图 1. 不同工况下层合 CFRP 复合材料的瞬时激光烧蚀行为

研究中基于 PIVlab 获得了 CFRP 复合材料的瞬时烧蚀深度。图 2a 中的速度矢量云图代表了不同铺设角度下纤维的运动方向，当速度矢量方向发生变化时，即认为 CFRP 复合材料中的单层材料已经完全烧蚀，此时记录一次烧蚀深度，从而获得瞬时烧蚀深度。不同于实验后测量获得的线性平均烧蚀速率，基于上述方法获得的瞬时烧蚀深度呈明显的非线性行为。由图 2b 中所示的瞬时烧蚀深度可知，CFRP 复合材料在超声速切向气流下的激光烧蚀深度与激光功率密度、来流速度均相关。

图 2. 基于 PIVlab 获得的瞬时烧蚀深度

数值计算方面，本文建立了表征基体发生热解反应后，CFRP 复合材料热物理性能发生变化的多尺度分析、热解残碳及碳纤维的氧化反应、各相的升华反应及机械剥蚀机理模型在内的流-热-固耦合数值分析模型。基于径向基函数 (Radial Basis Function, RBF) 与映射重构技术 (Remapping Solution Technology, RST)，解决了层合 CFRP 复合材料这类多层结构材料烧蚀行为演化的难题。

图 3. 流-热-固耦合数值分析流程

研究中给出了激光功率密度为 2546 W/cm2、超声速切向气流马赫数为 3.0 典型工况条件下数值计算与实验结果的对比。根据结果可知，本文所建立的流-热-固耦合数值分析模型能够有效的计算出层合 CFRP 复合材料在烧蚀过程中层合结构发生变化的烧蚀行为。该模型可为各类多层结构的烧蚀行为计算提供解决思路。

图 4. 实验与数值计算烧蚀形貌对比

该研究通过 Bruker DektakXT 分析系统扫描实验试样来获得烧蚀形貌，每个数值计算工况的烧蚀深度与形貌与实验结果一致，验证了数值模型的可靠性；给出了典型工况下激光辐照中心处各烧蚀机制引起的烧蚀深度。当激光辐照时间为 4.0 s 时，升华对总深度的贡献为 54.36％，机械剥蚀为 36.54％，氧化为 9.1％；当激光辐照时间小于 2.4 s时，机械侵蚀在烧蚀过程中占主导地位。主要原因是基体热解后，在超声速气流的气动力作用下热解残碳和纤维开始剥离。

图 5. 数值计算与实验的瞬时烧蚀深度对比及不同机理的烧蚀深度

本文介绍的实验测量和数据处理方法可以有效地表征超高速风洞环境中的激光瞬时烧蚀行为和表面烧蚀深度。此外，还开发了多层材料烧蚀界面退化的流-热-固多场耦合数值分析模型，以获得烧蚀形态的瞬时演变，并揭示各种烧蚀机制对总烧蚀的影响。实验研究发现，层合 CFRP 复合材料的瞬时激光烧蚀行为表明超声速气流条件下的机械剥蚀是一种热-力耦合破坏行为，与激光功率密度和切向气流速度均有关。数值计算研究发现，超声速气流诱导的机械剥蚀效应与表面温度、切向气流速度及腔体流动模式均有关。当模式从闭腔状态转变为开腔状态时，机械剥蚀效应曲线揭示了腔体流动模式的转变时刻。随后升华起主导作用，机械剥蚀的烧蚀率逐渐降低。

原文出自 Materials 期刊

Ma, T.; Wang, J.; Song, H.; Wang, R.; Yuan, W. Instantaneous Ablation Behavior of Laminated CFRP by High-Power Continuous-Wave Laser Irradiation in Supersonic Wind Tunnel. Materials 2023, 16, 790.

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

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