透射式激光燒蝕含能聚合物的羽流實驗

陳 庚，洪延姬，葉繼飛

（1.裝備學院激光推進及其應用國家重點實驗室，北京101416；2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速空氣動力研究所高超聲速沖壓發(fā)動機技術(shù)重點實驗室，四川綿陽621000）

?

透射式激光燒蝕含能聚合物的羽流實驗

陳 庚1，2，洪延姬1，葉繼飛1，2

（
1.裝備學院激光推進及其應用國家重點實驗室，北京101416；2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速空氣動力研究所高超聲速沖壓發(fā)動機技術(shù)重點實驗室，四川綿陽621000）

摘 要：搭建了透射式羽流觀測平臺，研究了不同燒蝕層厚度的聚疊氮縮水甘油醚／硝化棉（GAP／NC）的共混聚合物薄膜透射式激光燒蝕羽流特性.實驗結(jié)果表明：透射式燒蝕首先在未受基底層約束的一側(cè)形成突起，突起不斷膨脹最終破裂；羽流中大顆粒物質(zhì)速度不同，主要分為兩部分，位于燒蝕層不同位置.隨著燒蝕層厚度的減小，縱向激波和物質(zhì)顆粒的速度增大，物質(zhì)顆粒尺寸減小，表明隨著燒蝕層厚度的減小比沖增大.

關(guān)鍵詞：透射式燒蝕；燒蝕層厚度；羽流；激波；物質(zhì)顆粒

指導教師：洪延姬（1963－），女，吉林龍井人，裝備學院激光推進及其應用國家重點實驗室研究員，博士，研究方向為激光航天應用技術(shù).

自2002年C.R.Phipps等人設(shè)計出第一款磁帶式激光燒蝕微推力器原理樣機，透射式激光燒蝕逐漸成為激光燒蝕微推進領(lǐng)域的研究熱點之一［1］.透射式激光燒蝕是指激光透過1層透明的基底薄膜，燒蝕涂覆在基底層上的燒蝕層材料，燒蝕產(chǎn)物的噴射方向與激光入射方向相同，光學設(shè)備與噴射流場分布在薄膜靶材的兩側(cè)，如圖1所示.圖1中薄膜靶材分為2層：左側(cè)灰色部分為燒蝕層薄膜，一般為特殊制備的材料；右側(cè)白色部分為透明基底薄膜，通過基底薄膜帶動燒蝕層材料的移動，實現(xiàn)了工質(zhì)的供給.透射式燒蝕主要包括以下優(yōu)點：

1）噴射發(fā)生在光學設(shè)備的異側(cè)，噴射產(chǎn)物不會對聚焦鏡頭等光學設(shè)備造成污染；

2）由于燒蝕物與激光的相互作用被約束在透明基底和工質(zhì)靶材之間，燒蝕產(chǎn)物突破工質(zhì)靶材時具有較好的方向性，因而不再需要設(shè)置微型約束噴管［2］.

圖1 透射式激光燒蝕模型圖

靶材的羽流特性與推進性能密切相關(guān)，對于燒蝕機理的研究具有重要意義.美國C.R.Phipps團隊和瑞士T.Lippert團隊合作研究了GAP（Glycidyl azide polyme，聚疊氮縮水甘油醚）、PVN（Polyvinyl alchol nitrate，聚乙烯醇硝酸酯）、PVC（Polyvinyl chloride，聚氯乙烯）、NC （Nitrocellulose，硝化纖維素）等含能和非含能材料，摻雜納米碳顆粒、紅外染料等吸收劑制成的雙層薄膜靶材的推進性能和羽流特性，結(jié)果表明：含能材料的各項性能均優(yōu)于非含能材料［3－6］；中國科學技術(shù)大學的唐志平小組研究了不同厚度的雙基藥薄膜對力學性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明：燒蝕層厚度在25～40μm范圍內(nèi)，隨著厚度增加比沖（指消耗單位質(zhì)量的工質(zhì)或推進劑所產(chǎn)生的沖量）減小，沖量耦合系數(shù)（指消耗單位激光能量產(chǎn)生的沖量，或消耗單位激光功率產(chǎn)生的推力）增大［7－8］.裝備學院激光推進及其應用國家重點實驗室對100μm和200μm的PVC薄膜沖量耦合特性做了研究，結(jié)果表明：100μm厚的薄膜沖量耦合系數(shù)大于200μm的薄膜［9］.上述透射式燒蝕的研究主要集中在力學性能上，對于燒蝕產(chǎn)生的羽流特性研究較少.

本文選取含能材料GAP／NC的共聚物作為燒蝕層材料，將其涂覆在110μm的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）透明薄膜上，制備了燒蝕層厚度分別為40，60，80，100μm的雙層薄膜靶材，實驗研究了透射式激光燒蝕的羽流特性，以及燒蝕層厚度對羽流特性的影響規(guī)律.

1 實驗裝置與薄膜工質(zhì)的制備

裝備學院激光推進及其應用國家重點實驗室對羽流觀測實驗系統(tǒng)已開展了廣泛研究［10－11］，在此基礎(chǔ)上搭建了透射式激光燒蝕羽流觀測平臺，實驗原理見圖2.透鏡7和8的焦距為10cm，透鏡9的焦距為30cm.

1.激光加載裝置 2.分光鏡 3.能量計 4.聚焦透鏡5.燒蝕靶材 6.閃光光源 7，8，9.成像透鏡 10.高速相機 11.采集終端 12.時序控制器圖2 實驗原理圖

激光加載裝置采用波長1 064nm、脈寬10ns 的Nd∶YAG激光器，單脈沖工作模式，通過DG－645脈沖信號發(fā)生器控制激光器出光.

閃光光源采用德國HSPS公司的NANOLITE系列頻閃光源，脈沖持續(xù)時間22ns.

高速相機采用PCO公司的HSFC－PRO高速增強型分幅相機，最小曝光時間3ns.由于3ns的曝光背景比較暗，實驗過程中選擇曝光時間為20ns.

時序控制器采用DG645脈沖信號發(fā)生器來控制激光器、閃光光源、高速相機的觸發(fā)時序，拍攝激光輻照后不同時刻的噴射物質(zhì)流場結(jié)構(gòu)圖，從而得出流場的演變過程.由于含能材料在燒蝕過程中能夠釋放出大量能量，提高了激光燒蝕微推進的推進性能，因而備受關(guān)注.選取含能材料GAP／NC共混聚合物作為燒蝕層材料.聚疊氮縮水甘油醚（GAP）、硝化棉（NC）對1 064nm激光吸收較弱，摻雜質(zhì)量分數(shù)5%的納米碳粉作為吸收劑.將GAP、NC、吸收劑按質(zhì)量比15∶2∶1溶于60mL乙酸乙酯溶液混合均勻后，加入固化劑異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）、催化劑二月桂酸二丁基錫（DBTDL），通過交聯(lián)反應制備了共混聚合物溶液.將110μm PET薄膜平鋪在50°～70°恒溫加熱臺上，利用刮涂的方法將共混聚合物溶液均勻涂覆在透明薄膜上，待干燥后再置于50Pa以下真空環(huán)境中徹底烘干.通過百格刀測試燒蝕層薄膜附著力達到4B級，利用不同規(guī)格的SZQ涂膜器制備了不同厚度的雙層薄膜工質(zhì)，燒蝕層厚度實際測量結(jié)果為（40±5）μm，（60±5）μm，（80±5）μm和（100±5）μm.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 典型實驗結(jié)果

羽流觀測時要避免激光燒蝕產(chǎn)生的等離子體所造成的強背景光影響，因而在實驗過程中選擇的激光功率密度低于該材料的等離子體產(chǎn)生閾值.實驗中入射激光能量為35.5mJ，光斑大小為0.8mm2，激光功率密度約為4.4×108W／cm2.圖3是燒蝕層厚度為60μm薄膜靶材的典型實驗結(jié)果.在ns脈沖激光作用后，燒蝕層在未受透明基底約束的一側(cè)產(chǎn)生突起，突起迅速膨脹，一直持續(xù)到激光輻照后1 000ns，在此過程中突起迅速膨脹壓縮周圍空氣形成激波.突起的產(chǎn)生可能是由于燒蝕層材料的分解并在燒蝕層與基底層的界面間釋放出大量的氣態(tài)產(chǎn)物，導致燒蝕層未受透明基底約束的一側(cè)向外凸出形成隨時間增大不斷膨脹的突起.在激光作用1 000ns后突起發(fā)生破裂并且釋放出固態(tài)或液態(tài)的微小顆粒.隨后燒蝕產(chǎn)生的物質(zhì)顆粒由于飛行速度不同開始分為兩個部分，速度較快的在2 500ns時開始趕上激波，速度較慢的大顆粒則在2 500ns時開始脫離燒蝕層表面.

通過對燒蝕流場的測量，得出燒蝕層厚度為60μm薄膜工質(zhì)在激光作用后不同時刻垂直靶面方向的縱向激波、沿靶面方向的橫向激波和物質(zhì)顆粒前沿位置，如圖4所示.由于聚焦光斑較大，因此在噴射產(chǎn)物初期至激光作用1 200ns左右橫向激波的位置大于縱向激波的位置，在激光作用1 200ns后縱向激波趕上并超過橫向激波.噴射顆粒物質(zhì)在2 500ns左右時突破激波.

圖3 燒蝕層厚度為60μm薄膜靶材的典型實驗結(jié)果

圖4 燒蝕產(chǎn)生的激波和噴射物質(zhì)前沿位置圖

圖3中2 500ns時脫離燒蝕層速度較慢的大顆粒材料分布近似為環(huán)狀，為了進一步研究該現(xiàn)象，通過高倍光學顯微鏡對燒蝕后的靶坑形貌進行觀測.以激光燒蝕光敏試紙得到的靶坑來近似聚焦光斑，高倍光學顯微鏡觀測得到光敏試紙燒蝕坑和薄膜燒蝕坑形貌如圖5所示.由于薄膜燒蝕靶坑較大，顯微鏡上的成像系統(tǒng)觀測范圍有限，因而選擇拍攝2張半靶坑圖像進行拼接.從薄膜靶材燒蝕靶坑圖像中可看到明顯的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，環(huán)內(nèi)部近似為圓，大小接近聚焦光斑.

對環(huán)狀結(jié)構(gòu)附近材料進一步放大觀測，如圖6所示.（a）為雙層薄膜去掉燒蝕層后基底層的顯微圖像，（b）～（d）分別為環(huán)內(nèi)區(qū)域、環(huán)狀結(jié)構(gòu)區(qū)域、環(huán)狀結(jié)構(gòu)邊緣未被燒蝕的燒蝕層區(qū)域的顯微圖像.（a）～（d）表面狀況均不相同：（b）與（a）相比，其表面更為粗糙，表面受到一定的侵蝕，主要是由于燒蝕過程中產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽導致光斑輻照區(qū)基底發(fā)生一定屬性變化；（c）與（d）表面狀況相近，可以認為是光斑輻照區(qū)材料在噴射過程中對周圍未被激光輻照的材料撕裂帶走一部分燒蝕層材料，但仍有少量材料粘在基底上，形成了環(huán)狀區(qū)域.

圖5 靶坑形貌圖

圖6 基底與靶坑局部圖

由典型實驗結(jié)果得出激光透射式燒蝕過程如圖7所示.首先激光透過透明基底薄膜加熱處于燒蝕層和基底界面間的燒蝕層材料，產(chǎn)生高溫高壓氣態(tài)產(chǎn)物.由于高溫高壓的氣態(tài)物質(zhì)被束縛在燒蝕層與基底之間，基底材料耐高溫和高壓的性能優(yōu)于燒蝕層材料，高溫高壓的氣態(tài)物質(zhì)將其上端的燒蝕層材料向外推出，并且在推出的過程中對聚合物基體有一定的破壞作用，導致對光斑輻照區(qū)周圍材料的撕裂.在隨后的噴射過程中，高溫高壓的氣態(tài)產(chǎn)物上端的燒蝕層材料分解成的顆粒噴射速度較快；而被撕裂帶出的產(chǎn)物噴射速度較慢，近似呈環(huán)狀飛出.

圖7 透射式燒蝕過程圖

2.2 燒蝕層厚度對羽流的影響規(guī)律

在入射激光能量為35.5 mJ、光斑大小為0.8mm2的ns脈沖激光輻照下，通過高速相機對不同時刻的透射式燒蝕羽流流場進行拍照，得到燒蝕層厚度為40，60，80，100μm的薄膜靶材燒蝕的流場結(jié)構(gòu)及演變過程.3 500ns時4種不同燒蝕層厚度薄膜靶材的燒蝕流場結(jié)構(gòu)見圖8.

圖8 3 500ns時不同燒蝕層厚度薄膜燒蝕流場圖

燒蝕層厚度為40μm的薄膜噴射物質(zhì)顆粒前沿粒子較小，隨著燒蝕層厚度增加噴射的大顆粒物質(zhì)增加.激光作用后，燒蝕產(chǎn)生的高溫高壓的氣態(tài)產(chǎn)物被約束在透明基底和光斑輻照區(qū)上層未被燒蝕的燒蝕層材料之間，這些未被燒蝕的材料被高溫高壓的氣態(tài)產(chǎn)物推出，并在噴射過程中形成大顆粒物質(zhì)，未完全生成氣態(tài)產(chǎn)物；光斑輻照區(qū)上層未被燒蝕材料的厚度隨著燒蝕層厚度的增加而增加，因而隨著燒蝕層厚度增加，噴射產(chǎn)物中大顆粒物質(zhì)變多.通過計算得出縱向激波傳播位置和噴射物質(zhì)前沿位置隨時間的變化規(guī)律如圖9～10所示.由圖9～10可知，燒蝕層厚度為40μm的薄膜燒蝕產(chǎn)生的激波傳播速度最快，物質(zhì)噴射的速度也最快；隨著燒蝕層厚度的增加縱向激波傳播速度和物質(zhì)噴射速度逐漸減小.燒蝕層薄的薄膜燒蝕噴射產(chǎn)物粒子較小，縱向激波傳播與物質(zhì)噴射速度較快對應著比沖值較高，即工質(zhì)薄膜越薄，比沖值越高，與文獻［8］報道的力學性能測量結(jié)果相一致.

圖9 不同燒蝕層厚度薄膜的激波位置圖

圖10 不同燒蝕層厚度薄膜的噴射物前沿位置圖

3 結(jié) 論

通過羽流觀測系統(tǒng)記錄了透射式燒蝕羽流流場演化過程，并用高倍光學顯微鏡觀測燒蝕靶坑的形貌.研究了透射式燒蝕的機理以及靶材薄膜燒蝕層厚度對透射式燒蝕羽流特性的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1）透射式激光燒蝕過程中，激光燒蝕透明基底和燒蝕層界面間的燒蝕層材料，燒蝕層在激光作用下首先向未受透明基底約束的一側(cè)產(chǎn)生突起，突起不斷膨脹，最終破裂形成高速飛行氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)物質(zhì).突起破裂后產(chǎn)生的物質(zhì)由于飛行速度不同，主要分成2部分：速度較快的是激光輻照區(qū)燒蝕層頂部的材料；飛行速度較慢的激光輻照區(qū)周圍被撕裂的材料，近似為環(huán)狀.

2）燒蝕層厚度較薄的薄膜燒蝕產(chǎn)生的顆粒物質(zhì)粒子較小，且縱向激波和物質(zhì)顆粒前沿速度較快，這對應著燒蝕層較薄的薄膜比沖較高.

參考文獻：

［1］ Phipps C R，Luke J R，McDuff G G，et al.Laserablation－powered mini－thruster［C］//International Symposium on High－Power Laser Ablation 2002.International Society for Optics and Photonics，2002：833－842.

［2］ Phipps C R，Luke J R，McDuff G G，et al.A laserablation－based micro－rocket［C］//The 33rd Plasma Dynamics and Lasers Conference.2002：20－23.

［3］ Phipps C R，Luke J R，Helgeson W，et al.Performance test results for the laser－powered microthruster［C］//AIP Conference Proceedings.IOP Institute of Physics Publishing LTD，2006，830：224.

［4］ Phipps C R，Luke J R，Lippert T，et al.Micropropulsion using a laser ablation jet［J］.Journal of Propulsion and Power，2004，20（6）：1000－1011.

［5］ Phipps C R，Luke J R，Helgeson W.Giant momentum coupling coefficients from nanoscale laser－initiated exothermic compounds，paper AIAA 2005－3607 ［C］//41st AIAA／ASME／SAE／ASEE Joint Propulsion Conference，Tucson，2005.

［6］ Phipps C R，Luke J R，Lippert T.Laser ablation of organiccoatingsasabasis for micropropulsion［J］.Thin Solid Films，2004，453：573－583.

［7］ Jian C，Long L，Yu D，et al.Experimental and numerical investigation of propellant of different thickness for laser mcro propulsion［C］//Beamed Energy Propulsion：6th International Symposium.AIP Publishing，2010，1230（1）：186－192.

［8］ 李龍，胡曉軍，唐志平.激光化學微推進推力性能的實驗研究［J］.兵工學報，2014，35（6）：908－914.

［9］ 竇志國，史宏略，葉繼飛，等.透射式激光燒蝕PVC沖量耦合性能實驗［J］.推進技術(shù)，2009，30（4）：495－499.

［10］ 劉克非，洪延姬，葉繼飛.激光燒蝕羽流光學成像效果研究［J］.物理實驗，2015，35（3）：10－14.

［11］ 薛永泰，竇志國，葉繼飛，等.液態(tài)工質(zhì)摻碳比對飛濺現(xiàn)象影響實驗研究［J］.物理實驗，2013，33（7）：9－13.

Plume performance experiment of energetic polymer ablation with transmission mode

CHEN Geng1，2，HONG Yan－ji1，YE Ji－fei1，2
（1.State Key Laboratory of Laser Propulsion ＆Application，Academy of Equipment，Beijing 101416，China；2.Science and Technology on Scramjet Laboratory，Hypervelocity Aerodynamics Institute of CARDC，Mianyang 621000，China）

Abstract：High－speed photography method was employed to study the plume performance with transmission mode.The plume performance of GAP／NC propellant with different thicknesses was studied.A protuberance was observed on the opposite side of the propellant，followed by the swelling and burst of the protuberance；the particles in the plume could be separated into two kinds，which had different speed and came from different positions of propellant.With a decreasing of the thickness of the propellant，the speed of the shockwave perpendicular to the surface and the speed of the particles increased，while the size of the particles decreased.The above results meant that the specific impulse increased with the decrease of the thickness of the propellant.

Key words：ablation in transmission mode；thickness of propellant；plume；shockwave；particle

作者簡介：陳 庚（1991－），男，陜西商洛人，裝備學院激光推進及其應用國家重點實驗室2013級碩士研究生，研究方向為激光航天應用技術(shù).

基金項目：國家自然科學基金資助（No.11372357）

收稿日期：2015－12－08；修改日期：2016－01－11

中圖分類號：TN249；V439

文獻標識碼：A

文章編號：1005－4642（2016）03－0005－05

［責任編輯：任德香］