透射式激光烧蚀含能聚合物的羽流实验

陈 庚，洪延姬，叶继飞

（1.装备学院激光推进及其应用国家重点实验室，北京101416；2.中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所高超声速冲压发动机技术重点实验室，四川绵阳621000）



透射式激光烧蚀含能聚合物的羽流实验

陈 庚1，2，洪延姬1，叶继飞1，2

（
1.装备学院激光推进及其应用国家重点实验室，北京101416；2.中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所高超声速冲压发动机技术重点实验室，四川绵阳621000）

摘 要：搭建了透射式羽流观测平台，研究了不同烧蚀层厚度的聚叠氮缩水甘油醚／硝化棉（GAP／NC）的共混聚合物薄膜透射式激光烧蚀羽流特性.实验结果表明：透射式烧蚀首先在未受基底层约束的一侧形成突起，突起不断膨胀最终破裂；羽流中大颗粒物质速度不同，主要分为两部分，位于烧蚀层不同位置.随着烧蚀层厚度的减小，纵向激波和物质颗粒的速度增大，物质颗粒尺寸减小，表明随着烧蚀层厚度的减小比冲增大.

关键词：透射式烧蚀；烧蚀层厚度；羽流；激波；物质颗粒

指导教师：洪延姬（1963－），女，吉林龙井人，装备学院激光推进及其应用国家重点实验室研究员，博士，研究方向为激光航天应用技术.

自2002年C.R.Phipps等人设计出第一款磁带式激光烧蚀微推力器原理样机，透射式激光烧蚀逐渐成为激光烧蚀微推进领域的研究热点之一［1］.透射式激光烧蚀是指激光透过1层透明的基底薄膜，烧蚀涂覆在基底层上的烧蚀层材料，烧蚀产物的喷射方向与激光入射方向相同，光学设备与喷射流场分布在薄膜靶材的两侧，如图1所示.图1中薄膜靶材分为2层：左侧灰色部分为烧蚀层薄膜，一般为特殊制备的材料；右侧白色部分为透明基底薄膜，通过基底薄膜带动烧蚀层材料的移动，实现了工质的供给.透射式烧蚀主要包括以下优点：

1）喷射发生在光学设备的异侧，喷射产物不会对聚焦镜头等光学设备造成污染；

2）由于烧蚀物与激光的相互作用被约束在透明基底和工质靶材之间，烧蚀产物突破工质靶材时具有较好的方向性，因而不再需要设置微型约束喷管［2］.

图1 透射式激光烧蚀模型图

靶材的羽流特性与推进性能密切相关，对于烧蚀机理的研究具有重要意义.美国C.R.Phipps团队和瑞士T.Lippert团队合作研究了GAP（Glycidyl azide polyme，聚叠氮缩水甘油醚）、PVN（Polyvinyl alchol nitrate，聚乙烯醇硝酸酯）、PVC（Polyvinyl chloride，聚氯乙烯）、NC （Nitrocellulose，硝化纤维素）等含能和非含能材料，掺杂纳米碳颗粒、红外染料等吸收剂制成的双层薄膜靶材的推进性能和羽流特性，结果表明：含能材料的各项性能均优于非含能材料［3－6］；中国科学技术大学的唐志平小组研究了不同厚度的双基药薄膜对力学性能的影响规律，结果表明：烧蚀层厚度在25～40μm范围内，随着厚度增加比冲（指消耗单位质量的工质或推进剂所产生的冲量）减小，冲量耦合系数（指消耗单位激光能量产生的冲量，或消耗单位激光功率产生的推力）增大［7－8］.装备学院激光推进及其应用国家重点实验室对100μm和200μm的PVC薄膜冲量耦合特性做了研究，结果表明：100μm厚的薄膜冲量耦合系数大于200μm的薄膜［9］.上述透射式烧蚀的研究主要集中在力学性能上，对于烧蚀产生的羽流特性研究较少.

本文选取含能材料GAP／NC的共聚物作为烧蚀层材料，将其涂覆在110μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）透明薄膜上，制备了烧蚀层厚度分别为40，60，80，100μm的双层薄膜靶材，实验研究了透射式激光烧蚀的羽流特性，以及烧蚀层厚度对羽流特性的影响规律.

1 实验装置与薄膜工质的制备

装备学院激光推进及其应用国家重点实验室对羽流观测实验系统已开展了广泛研究［10－11］，在此基础上搭建了透射式激光烧蚀羽流观测平台，实验原理见图2.透镜7和8的焦距为10cm，透镜9的焦距为30cm.

1.激光加载装置 2.分光镜 3.能量计 4.聚焦透镜5.烧蚀靶材 6.闪光光源 7，8，9.成像透镜 10.高速相机 11.采集终端 12.时序控制器图2 实验原理图

激光加载装置采用波长1 064nm、脉宽10ns 的Nd∶YAG激光器，单脉冲工作模式，通过DG－645脉冲信号发生器控制激光器出光.

闪光光源采用德国HSPS公司的NANOLITE系列频闪光源，脉冲持续时间22ns.

高速相机采用PCO公司的HSFC－PRO高速增强型分幅相机，最小曝光时间3ns.由于3ns的曝光背景比较暗，实验过程中选择曝光时间为20ns.

时序控制器采用DG645脉冲信号发生器来控制激光器、闪光光源、高速相机的触发时序，拍摄激光辐照后不同时刻的喷射物质流场结构图，从而得出流场的演变过程.由于含能材料在烧蚀过程中能够释放出大量能量，提高了激光烧蚀微推进的推进性能，因而备受关注.选取含能材料GAP／NC共混聚合物作为烧蚀层材料.聚叠氮缩水甘油醚（GAP）、硝化棉（NC）对1 064nm激光吸收较弱，掺杂质量分数5%的纳米碳粉作为吸收剂.将GAP、NC、吸收剂按质量比15∶2∶1溶于60mL乙酸乙酯溶液混合均匀后，加入固化剂异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）、催化剂二月桂酸二丁基锡（DBTDL），通过交联反应制备了共混聚合物溶液.将110μm PET薄膜平铺在50°～70°恒温加热台上，利用刮涂的方法将共混聚合物溶液均匀涂覆在透明薄膜上，待干燥后再置于50Pa以下真空环境中彻底烘干.通过百格刀测试烧蚀层薄膜附着力达到4B级，利用不同规格的SZQ涂膜器制备了不同厚度的双层薄膜工质，烧蚀层厚度实际测量结果为（40±5）μm，（60±5）μm，（80±5）μm和（100±5）μm.

2 实验结果与分析

2.1 典型实验结果

羽流观测时要避免激光烧蚀产生的等离子体所造成的强背景光影响，因而在实验过程中选择的激光功率密度低于该材料的等离子体产生阈值.实验中入射激光能量为35.5mJ，光斑大小为0.8mm2，激光功率密度约为4.4×108W／cm2.图3是烧蚀层厚度为60μm薄膜靶材的典型实验结果.在ns脉冲激光作用后，烧蚀层在未受透明基底约束的一侧产生突起，突起迅速膨胀，一直持续到激光辐照后1 000ns，在此过程中突起迅速膨胀压缩周围空气形成激波.突起的产生可能是由于烧蚀层材料的分解并在烧蚀层与基底层的界面间释放出大量的气态产物，导致烧蚀层未受透明基底约束的一侧向外凸出形成随时间增大不断膨胀的突起.在激光作用1 000ns后突起发生破裂并且释放出固态或液态的微小颗粒.随后烧蚀产生的物质颗粒由于飞行速度不同开始分为两个部分，速度较快的在2 500ns时开始赶上激波，速度较慢的大颗粒则在2 500ns时开始脱离烧蚀层表面.

通过对烧蚀流场的测量，得出烧蚀层厚度为60μm薄膜工质在激光作用后不同时刻垂直靶面方向的纵向激波、沿靶面方向的横向激波和物质颗粒前沿位置，如图4所示.由于聚焦光斑较大，因此在喷射产物初期至激光作用1 200ns左右横向激波的位置大于纵向激波的位置，在激光作用1 200ns后纵向激波赶上并超过横向激波.喷射颗粒物质在2 500ns左右时突破激波.

图3 烧蚀层厚度为60μm薄膜靶材的典型实验结果

图4 烧蚀产生的激波和喷射物质前沿位置图

图3中2 500ns时脱离烧蚀层速度较慢的大颗粒材料分布近似为环状，为了进一步研究该现象，通过高倍光学显微镜对烧蚀后的靶坑形貌进行观测.以激光烧蚀光敏试纸得到的靶坑来近似聚焦光斑，高倍光学显微镜观测得到光敏试纸烧蚀坑和薄膜烧蚀坑形貌如图5所示.由于薄膜烧蚀靶坑较大，显微镜上的成像系统观测范围有限，因而选择拍摄2张半靶坑图像进行拼接.从薄膜靶材烧蚀靶坑图像中可看到明显的环状结构，环内部近似为圆，大小接近聚焦光斑.

对环状结构附近材料进一步放大观测，如图6所示.（a）为双层薄膜去掉烧蚀层后基底层的显微图像，（b）～（d）分别为环内区域、环状结构区域、环状结构边缘未被烧蚀的烧蚀层区域的显微图像.（a）～（d）表面状况均不相同：（b）与（a）相比，其表面更为粗糙，表面受到一定的侵蚀，主要是由于烧蚀过程中产生的高温高压蒸汽导致光斑辐照区基底发生一定属性变化；（c）与（d）表面状况相近，可以认为是光斑辐照区材料在喷射过程中对周围未被激光辐照的材料撕裂带走一部分烧蚀层材料，但仍有少量材料粘在基底上，形成了环状区域.

图5 靶坑形貌图

图6 基底与靶坑局部图

由典型实验结果得出激光透射式烧蚀过程如图7所示.首先激光透过透明基底薄膜加热处于烧蚀层和基底界面间的烧蚀层材料，产生高温高压气态产物.由于高温高压的气态物质被束缚在烧蚀层与基底之间，基底材料耐高温和高压的性能优于烧蚀层材料，高温高压的气态物质将其上端的烧蚀层材料向外推出，并且在推出的过程中对聚合物基体有一定的破坏作用，导致对光斑辐照区周围材料的撕裂.在随后的喷射过程中，高温高压的气态产物上端的烧蚀层材料分解成的颗粒喷射速度较快；而被撕裂带出的产物喷射速度较慢，近似呈环状飞出.

图7 透射式烧蚀过程图

2.2 烧蚀层厚度对羽流的影响规律

在入射激光能量为35.5 mJ、光斑大小为0.8mm2的ns脉冲激光辐照下，通过高速相机对不同时刻的透射式烧蚀羽流流场进行拍照，得到烧蚀层厚度为40，60，80，100μm的薄膜靶材烧蚀的流场结构及演变过程.3 500ns时4种不同烧蚀层厚度薄膜靶材的烧蚀流场结构见图8.

图8 3 500ns时不同烧蚀层厚度薄膜烧蚀流场图

烧蚀层厚度为40μm的薄膜喷射物质颗粒前沿粒子较小，随着烧蚀层厚度增加喷射的大颗粒物质增加.激光作用后，烧蚀产生的高温高压的气态产物被约束在透明基底和光斑辐照区上层未被烧蚀的烧蚀层材料之间，这些未被烧蚀的材料被高温高压的气态产物推出，并在喷射过程中形成大颗粒物质，未完全生成气态产物；光斑辐照区上层未被烧蚀材料的厚度随着烧蚀层厚度的增加而增加，因而随着烧蚀层厚度增加，喷射产物中大颗粒物质变多.通过计算得出纵向激波传播位置和喷射物质前沿位置随时间的变化规律如图9～10所示.由图9～10可知，烧蚀层厚度为40μm的薄膜烧蚀产生的激波传播速度最快，物质喷射的速度也最快；随着烧蚀层厚度的增加纵向激波传播速度和物质喷射速度逐渐减小.烧蚀层薄的薄膜烧蚀喷射产物粒子较小，纵向激波传播与物质喷射速度较快对应着比冲值较高，即工质薄膜越薄，比冲值越高，与文献［8］报道的力学性能测量结果相一致.

图9 不同烧蚀层厚度薄膜的激波位置图

图10 不同烧蚀层厚度薄膜的喷射物前沿位置图

3 结 论

通过羽流观测系统记录了透射式烧蚀羽流流场演化过程，并用高倍光学显微镜观测烧蚀靶坑的形貌.研究了透射式烧蚀的机理以及靶材薄膜烧蚀层厚度对透射式烧蚀羽流特性的影响规律，主要结论如下：

1）透射式激光烧蚀过程中，激光烧蚀透明基底和烧蚀层界面间的烧蚀层材料，烧蚀层在激光作用下首先向未受透明基底约束的一侧产生突起，突起不断膨胀，最终破裂形成高速飞行气态、液态和固态物质.突起破裂后产生的物质由于飞行速度不同，主要分成2部分：速度较快的是激光辐照区烧蚀层顶部的材料；飞行速度较慢的激光辐照区周围被撕裂的材料，近似为环状.

2）烧蚀层厚度较薄的薄膜烧蚀产生的颗粒物质粒子较小，且纵向激波和物质颗粒前沿速度较快，这对应着烧蚀层较薄的薄膜比冲较高.

参考文献：

［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］ 李龙，胡晓军，唐志平.激光化学微推进推力性能的实验研究［J］.兵工学报，2014，35（6）：908－914.

［9］ 窦志国，史宏略，叶继飞，等.透射式激光烧蚀PVC冲量耦合性能实验［J］.推进技术，2009，30（4）：495－499.

［10］ 刘克非，洪延姬，叶继飞.激光烧蚀羽流光学成像效果研究［J］.物理实验，2015，35（3）：10－14.

［11］ 薛永泰，窦志国，叶继飞，等.液态工质掺碳比对飞溅现象影响实验研究［J］.物理实验，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

作者简介：陈 庚（1991－），男，陕西商洛人，装备学院激光推进及其应用国家重点实验室2013级硕士研究生，研究方向为激光航天应用技术.

基金项目：国家自然科学基金资助（No.11372357）

收稿日期：2015－12－08；修改日期：2016－01－11

中图分类号：TN249；V439

文献标识码：A

文章编号：1005－4642（2016）03－0005－05

［责任编辑：任德香］