飞片参数与玻璃撞击损伤特征关系的研究

魏 强,刘浩锐,白 羽,杨桂民,王志浩

(1.天津大学 材料科学与工程学院,天津 300350; 2.北京卫星环境工程研究所,北京 100094)



飞片参数与玻璃撞击损伤特征关系的研究

魏 强1,刘浩锐1,白 羽2,杨桂民1,王志浩2

(1.天津大学 材料科学与工程学院,天津 300350; 2.北京卫星环境工程研究所,北京 100094)

为考察空间碎片对航天器光学材料的影响,将光学材料撞击损伤与具体撞击碎片相对应，采用激光驱动飞片技术进行空间碎片地面模拟。设计了能形成速度可控的具体撞击碎片的激光驱动飞片装置，针对空间碎片不同速度和形态，通过改变激光能量和光束直径获得具有不同速度和长径比的飞片。研究了石英玻璃撞击损伤特征与飞片速度、长径比等参数的对应关系。结果发现：随着激光能量的增加，飞片速度的增加，撞击坑的损伤面积和坑深表现为先增大后减小；随着飞片长径比的减小，主要撞击损伤特征逐渐由侵彻成坑转变为溅射污染。通过碎片群平均参数改进为具体碎片参数，提高了地面模拟的有效性，利于高通量空间碎片环境中材料服役行为评价的研究，对空间碎片地面模拟技术和撞击损伤效应有一定的参考价值。

空间碎片； 地面模拟技术； 光学材料； 激光驱动飞片； 撞击损伤； 侵彻成坑； 溅射污染； 飞片速度； 飞片长径比

0 引言

光学系统被称为航天器的眼睛，是航天器不可缺少的部分。空间光学系统直接暴露于空间环境中，承受高真空、热循环、冷黑、辐射、污染和空间碎片等多种空间环境因素作用[1]。国外航天实践和大量空间暴露试验表明：空间碎片环境对包括光学材料在内的许多材料有不可忽视的影响[2-3]。空间碎片已严重威胁在轨航天器的关键暴露器件，成为影响航天器在轨服役寿命与可靠性的重要空间环境因素之一。近年来，美国、俄罗斯、欧洲等地和中国的研究者以光学玻璃、反射镜等为例研究了空间微小碎片环境中光学材料损伤效应和机理，得出了碎片速度、形态对撞击损伤特征的影响规律[4-9]。碰撞速度小于1.5 km/s 时，产生的撞击坑又细又窄，坑深与速度的4/3 次方成正比；速度为1.5～2.5 km/s时，坑的形状和尺寸与粒子及试样的机械强度有关，通常撞击的粒子发生变形或碎裂成几部分；速度超过2.5 km/s 以上的超声速区域时，撞击坑呈半球状，坑深与速度的2/3 次方成正比[10-11]。由于受不同空间碎片地面模拟设备限制，前人关于碎片撞击效应模拟研究中所采用设备多为碎片群发射撞击，碎片粒子速度与尺寸等的分布范围均较大，难以将撞击损伤与具体碎片对应，所得结果为碎片群平均速度等参数与随机撞击损伤间的关系[12]。由于不同参数的碎片具有不同撞击效应，这将使获得的撞击规律产生偏差。因此，确定碎片速度、形态等参数与撞击损伤特征的联系有其重要意义。与其它模拟方法相比，激光驱动飞片技术具有将撞击损伤特征与具体碎片粒子参数相对应的优势，且结构简单、成本较低，适于微米级碎片撞击效应与机理的分析评价[13]。本文采用激光驱动飞片技术对空间微小碎片撞击光学材料进行了研究，通过材料学和碰撞动力学分析，将撞击损伤与碎片粒子相对应，从碎片参数角度分析边界撞击速度和几何因素两方面的影响，揭示空间微小碎片对光学材料撞击损伤特征的科学规律。

1 实验方法与仪器

1.1 激光驱动飞片装置

激光驱动飞片装置主要由Nd：YAG激光器、光学系统、飞片靶和撞击靶组成，如图1所示。激光器输出波长1 064 nm，输出能量300～900 mJ，脉宽7 ns。光学系统主要包括聚焦镜及光路调节的系列反射镜。在光学石英玻璃表面粘贴或沉积金属铝膜作为飞片靶，选择光学石英玻璃作为撞击靶。激光器发射一束高强度激光脉冲透过基底材料入射到铝薄膜上，致使被照射的膜表面瞬间加热蒸发、气化和电离，产生高温高压的等离子体，即在铝薄膜与基底形成的腔中出现了等离子体产生的高压冲击波。在冲击波作用下铝薄膜内部形成张力，当张力超过铝材料的抗拉强度时会在薄膜上产生裂纹，最终将铝膜片剪切下，并在高压冲击波的驱动下形成了超高速飞片，撞击到作为撞击靶的石英玻璃上。

图1 激光驱动飞片装置Fig.1 Schematic diagram of laser-driven flyer system

1.2 测速装置

图2 飞片测速撞击装置与示波器Fig.2 Setup of flyer velocity measurement

试验测速装置和示波器如图2所示。试验选用两个聚偏二氟乙烯压电薄膜(PVDF)进行测速，一个粘贴在石英玻璃基底已沉积铝薄膜的一侧(PVDF1)，另一个粘贴在撞击靶迎接飞片的一侧(PVDF2)。在烧蚀过程中，产生的高压冲击波会同时传递给PVDF1；被剪切下来的飞片经过长度L的加速腔后高速撞击到靶上，产生的撞击压力信号同时会传递给PVDF2，PVDF1 和PVDF2 分别将压力信号转换为电压信号输送至双通道示波器，在示波器上先后看到两个波峰或波谷，即可从示波器上读取出飞片的飞出时间t1和撞击时间t2，由v=L/(t2—t1) 估算出飞片的平均速度。

1.3 分析测试仪器

用Keyence VHX三维体式显微镜对石英玻璃上形成的撞击坑进行三维形貌观察，测量撞击坑的坑径和坑深。用日立公司产 S4800 型场发射扫描电子显微镜，进一步分析撞击坑的形貌微观形貌。对显微照片，用Image-Pro Plus软件对撞击坑面积进行计算标定。

2 飞片速度与撞击损伤特征的对应关系

根据上述测速原理，本试验中用硅油将厚度为16 μm的铝箔粘贴在干净的石英玻璃上。采用聚焦镜将激光光斑直径缩小为约0.1 mm，可获得直径约100 μm的飞片。用不同激光能量，在真空中高速驱动厚度16 μm的金属铝飞片，获得激光能量与飞片速度间关系，见表1。随后在真空环境中，以不同的速度碎片撞击石英玻璃靶材，观察不同速度碎片撞击靶材的损伤效应。

表1 激光能量与飞片速度关系

用三维体氏显微镜对不同速度的飞片撞击的光学玻璃损伤形貌进行观察，结果如图3所示。由图3可知：随着飞片撞击速度的增大，石英玻璃的撞击坑先是逐渐增大，但当速度为5.25 km/s时，撞击坑反而减小。进一步，用三维体式显微镜对坑深、坑径进行测定，并用Image-Pro Plus软件测量撞击坑面积。

不同撞击速度下的撞击坑面积和撞击坑深度(取图中最大深度)分别如图4、5所示。由图4、5可知：撞击坑的面积和坑深开始都随撞击速度增加而增大，但当速度为5.25 km/s时，撞击坑的面积和坑深反而减小。这主要是因为随着激光能量的增加，一方面飞片获得的驱动能量增大，另一方面激光对飞片烧蚀也更严重，使飞片烧蚀分解。因此，虽然飞片速度增加，但由于飞片的分解破碎，最终导致撞击坑面积与坑深等损伤特征弱化。

图3 不同速度飞片撞击玻璃靶材的表面陷坑形貌Fig.3 Zoom-stereo microscope images of target at various impact velocity

图4 不同撞击速度下撞击坑面积Fig.4 Crater area under various impact velocity

图5 不同撞击速度下撞击坑深Fig.5 Crater depth under various impact velocity

撞击坑损伤特征的SEM观察结果(如图6所示)也给出了进一步的佐证。由图6可知：随着飞片速度增加，撞击坑损伤程度先增加后减轻。当飞片速度达到5.25 km/s时，撞击坑损伤特征明显弱化。

3 碎片长径比与撞击损伤特征的对应关系

目前地面模拟实验中多以球形弹丸模拟空间碎片，但实际的空间碎片形状各异[14]。基于激光驱动飞片技术具有撞击粒子与撞击坑一一对应的优势，本文研究飞片长径比对光学石英玻璃高速撞击损伤特征的影响。试验中以石英玻璃为基底，以硅油为介质用粘结法将厚度16 μm的铝箔粘贴在石英玻璃上，采用纳秒激光烧蚀驱动。试验中飞片厚度固定为16 μm，通过光学系统改变激光束聚焦后激光斑点的大小，从而获得不同直径的激光束烧蚀驱动的飞片。直径分别约50，70，90，110 μm。飞片参数见表2。

直径分别为50，70，90，110 μm的4种不同长径比的飞片撞击石英玻璃的损伤形貌如图7所示。由图7可知：石英玻璃撞击损伤特征包括撞击坑和溅射污染区[15]。研究发现，撞击中心坑与溅射区域的比例逐渐改变，随着长径比数值的减小，撞击损伤中心坑所占比例越来越小。这主要是因为撞击过程中，飞片撞击石英玻璃后所形成的冲击波反射作用于飞片上，当飞片长径比较大时反射冲击波作用面积较小，损伤特征以侵彻成坑为主；当飞片长径比较小时，反射冲击波作用面积较大，易导致飞片碎裂成更小的分散碎片，侵彻成坑能力下降，而形成了较大的溅射污染。这说明片状空间碎片容易引起撞击污染，这将可能引起空间光学载荷产生更明显的光学性能降低。同时可知：球形碎片撞击损伤中溅射污染区域较小。因此，对激光驱动技术来说，必须对飞片的长径比进行限定，才能使激光驱动飞片结果与球形碎片撞击结果具可比性，从而提高地面模拟实验的重复性和有效性。

图6 光学玻璃表面陷坑形貌Fig.6 SEM images of craters on glass surface

图7 不同长径比飞片尺寸撞击靶材的结果Fig.7 Damage morphologies on quartz glass after flyers impact with different aspect ratio

表2 飞片参数

4 结束语

本文基于激光驱动飞片技术具有将撞击损伤特征与具体碎片粒子参数相对应的优势，研究了飞片速度、长径比等参数与石英玻璃撞击损伤特征关系，得到以下结论：随着激光能量的增加，飞片速度的增加，由飞片烧蚀分解导致撞击坑的损伤面积和坑深表现为先增大后减小；随着飞片长径比的减小，冲击反射波作用面积增加，飞片撞击石英玻璃的主要损伤特征逐渐由侵彻成坑转变为溅射污染。本文研究实现了由碎片群平均参数向具体碎片参数的改进，提高了地面模拟试验的重复性和有效性。同时表明，激光驱动飞片技术不仅可成为一种模拟太空环境的有效实验手段，而且相对其他地面模拟方式，更适于高通量空间微小碎片撞击实验的基础研究，利于空间新材料研发过程中实现服役行为的快速低成本评价。

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Study on Relationship between Flyer Parameters and Damage Characteristics of Glass

WEI Qiang1, LIU Hao-rui1, BAI Yu2, YANG Gui-min1, WANG Zhi-hao2

(1. School of Materials Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300350, China; 2. Beijing Institute of Spacecrafts Environment Engineering, Beijing 100094, China)

In order to investigate the influence of space debris on spacecraft optical materials and realize one-to-one match between the impact damage of optical materials and the specific impact debris, the laser driven flyer technology was used for ground simulation of space debris. The laser-driven flyer system which could form the certain flyer with the speed controlled was designed. According to the different velocity and shape of space debris, the flyers with different speed and aspect ratio were obtained by adjusting the laser energy and the beam diameter. The corresponding relationship between the impact damage characteristics of quartz glass and the flyer parameters including velocity and aspect ratio was studied in this paper. The results showed that with increasing laser energy, the velocity of flyer increased, which resulted in an increase initially and decrease afterwards of the damage area and depth of the impact crater. With aspect ratio decrease, the primary characteristics of impact damage had been turned from penetration pit into sputtering pollution. The improvement of debris parameters from mean value to specific value increases the effectiveness of ground simulation, which is beneficial to the high-throughput analysis of materials service behavior under space debris. The research result has reference value and guidance significance to the space debris ground simulation technology and the impact damage effect.

Space debris; Ground simulation technology; Optical materials; Laser driven flyer; Impact damage; Penetration pit; Sputtering pollution; Velocity of flyer; Aspect ratio of flyer

1006-1630(2016)05-0118-06

2016-08-24；

2016-09-19

国家自然科学基金资助(41274191)

魏 强(1978—)，男，博士，副教授，主要研究方向为空间材料环境行为评价与表面工程等。

V524.3

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2016.05.019