一種脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置及方法。脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置，包括用于發(fā)生脈沖激光束的脈沖激光束發(fā)生裝置、用于放置待燒蝕聚合物并接受燒蝕過程中所產(chǎn)生的沖量的沖量接收面板、用于導(dǎo)出燒蝕產(chǎn)物的筒狀排氣段以及覆蓋在待燒蝕聚合物上部并用于在燒蝕過程中誘導(dǎo)等離子體產(chǎn)生的金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；沖量接收面板設(shè)于筒狀排氣段的底部，金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)安裝在筒狀排氣段和/或沖量接收面板上并覆蓋于沖量接收面板上的待燒蝕聚合物上部，金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與待燒蝕聚合物之間留有間隙，脈沖激光束發(fā)生裝置的脈沖激光束發(fā)生端朝向沖量接收面板布置，脈沖激光束發(fā)生裝置所發(fā)射的脈沖激光束穿過金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)并作用于沖量接收面板上的待燒蝕聚合物上。
【專利說明】一種脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及聚合物的脈沖激光燒蝕【技術(shù)領(lǐng)域】，特別地，涉及一種脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置。此外，本發(fā)明還涉及一種包括上述脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置的脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生方法。

【背景技術(shù)】
[0002]多種工程應(yīng)用場合中需要在真空環(huán)境中使脈沖激光輻照聚合物產(chǎn)生沖量。這種應(yīng)用要求該過程中產(chǎn)生更大沖量的同時(shí)，消耗聚合物質(zhì)量盡量小，即沖量產(chǎn)生的質(zhì)量利用效率(產(chǎn)生沖量與燒蝕質(zhì)量之比)最大化。
[0003]目前，提高質(zhì)量利用效率的思路側(cè)重于改良聚合物本身，即在聚合物中摻雜微米或納米尺度的金屬粉末，以期利用金屬對激光的強(qiáng)吸收能力降低聚合物的激光吸收深度。然而，迄今為止的實(shí)驗(yàn)表明，單純摻雜金屬粉末改造聚合物本身的方法，使得聚合物細(xì)觀結(jié)構(gòu)很不均勻，在脈沖激光輻照下產(chǎn)生大量機(jī)械性剝落的質(zhì)量損失，質(zhì)量利用效率反而降低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置及方法，以解決現(xiàn)有脈沖激光燒蝕聚合物提高質(zhì)量利用效率的方法會使得聚合物細(xì)觀結(jié)構(gòu)很不均勻，在脈沖激光輻照下產(chǎn)生大量機(jī)械性剝落的質(zhì)量損失，質(zhì)量利用效率反而降低的技術(shù)問題。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0006]一種脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置，包括用于發(fā)生脈沖激光束的脈沖激光束發(fā)生裝置、用于放置待燒蝕聚合物并接受燒蝕過程中所產(chǎn)生的沖量的沖量接收面板、用于導(dǎo)出燒蝕產(chǎn)物的筒狀排氣段以及覆蓋在待燒蝕聚合物上部并用于在燒蝕過程中誘導(dǎo)等離子體產(chǎn)生的金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；沖量接收面板設(shè)于筒狀排氣段的底部，金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)安裝在筒狀排氣段和/或沖量接收面板上并覆蓋于沖量接收面板上的待燒蝕聚合物上部，金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與待燒蝕聚合物之間留有間隙，脈沖激光束發(fā)生裝置的脈沖激光束發(fā)生端朝向沖量接收面板布置，脈沖激光束發(fā)生裝置所發(fā)射的脈沖激光束穿過金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)并作用于沖量接收面板上的待燒蝕聚合物上。
[0007]進(jìn)一步地，金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)通過用于調(diào)節(jié)金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與待燒蝕聚合物之間間隙的高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝于筒狀排氣段的內(nèi)壁面上或者沖量接收面板上。
[0008]進(jìn)一步地，金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)孔孔徑大小可調(diào)；網(wǎng)孔孔徑通過從金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的四周拉伸或者金屬回彈力回復(fù)的方式調(diào)節(jié)；或者網(wǎng)孔孔徑通過疊合的網(wǎng)孔相互發(fā)生錯位移動的方式調(diào)節(jié)；或者網(wǎng)孔孔徑通過更換不同網(wǎng)孔孔徑大小的金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的方式調(diào)節(jié)。
[0009]進(jìn)一步地，金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為平面網(wǎng)板或者曲面網(wǎng)板。
[0010]進(jìn)一步地，沖量接收面板和筒狀排氣段采用整體一體化加工成型；或者沖量接收面板和筒狀排氣段采用分別加工后裝配成一體。
[0011]進(jìn)一步地，脈沖激光束發(fā)生裝置的的脈沖激光束發(fā)生端與待燒蝕聚合物之間的間隙可調(diào)；或者脈沖激光束發(fā)生裝置射出的脈沖激光束的焦點(diǎn)與待燒蝕聚合物之間的距離可調(diào)。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生方法，其包括上述脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置；針對脈沖激光束的激光脈沖波形，對脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置的工作過程進(jìn)行數(shù)值仿真，用以獲取金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)孔孔徑參數(shù)以及金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與聚合物之間的間隙參數(shù)；依據(jù)獲得的網(wǎng)孔孔徑參數(shù)以及間隙參數(shù)設(shè)置金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。脈沖激光束燒蝕金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)生成高電子數(shù)密度產(chǎn)物，高電子數(shù)密度產(chǎn)物用于增強(qiáng)對入射的脈沖激光束的吸收以及用于使金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所處位置形成高壓，同時(shí)高電子數(shù)密度產(chǎn)物阻滯聚合物燒蝕產(chǎn)物羽流場入口處的輸入聚合物燒蝕產(chǎn)物的運(yùn)動,使金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與聚合物的燒蝕面之間形成低速高壓區(qū)域；當(dāng)停止輸出脈沖激光束后，利用金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的所處位置形成的高壓以及金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與聚合物的燒蝕面之間形成的低速高壓區(qū)域的高壓減緩聚合物的燒蝕面壓強(qiáng)的衰弱速度，從而獲得高效的沖量性能并提高聚合物燒蝕過程中的質(zhì)量利用效率。
[0013]進(jìn)一步地，對脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置的工作過程進(jìn)行數(shù)值仿真包括以下步驟:步驟一，設(shè)定聚合物內(nèi)部的初始參數(shù)和聚合物燒蝕產(chǎn)生的聚合物燒蝕產(chǎn)物羽流場的初始參數(shù)；步驟二，在每一時(shí)間步內(nèi)，獲取聚合物燒蝕參數(shù)以及獲取聚合物燒蝕產(chǎn)物羽流場，實(shí)時(shí)獲取聚合物的燒蝕面處的光強(qiáng)、動壓和靜壓；步驟三，重復(fù)步驟二，直至燒蝕面壓強(qiáng)與環(huán)境壓強(qiáng)平衡時(shí)結(jié)束或達(dá)到預(yù)設(shè)停止時(shí)間時(shí)結(jié)束；步驟四，根據(jù)燒蝕面動壓和靜壓進(jìn)行時(shí)間積分，獲取產(chǎn)生的沖量值，并由此得到質(zhì)量利用效率；步驟五，劃分參數(shù)水平，通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)，即可得到特定脈沖激光束條件下達(dá)到高質(zhì)量利用效率的金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)孔孔徑參數(shù)以及金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與聚合物之間的間隙參數(shù)。
[0014]進(jìn)一步地，步驟二中，獲取聚合物燒蝕參數(shù)，包括:在聚合物內(nèi)部劃分網(wǎng)格，采用熱傳導(dǎo)和聚合物熱解化學(xué)動力學(xué)方程，考慮熱解產(chǎn)物組分和熱力學(xué)性質(zhì)的變化、及因此產(chǎn)生的跨臨界溫度燒蝕，獲取燒蝕質(zhì)量損失和燒蝕產(chǎn)物初始參數(shù)；計(jì)算完畢后，向羽流場輸出入口參數(shù)，包括產(chǎn)物組分和狀態(tài)參數(shù)，狀態(tài)參數(shù)包括壓力、密度和速度。
[0015]進(jìn)一步地，步驟二中，獲取聚合物燒蝕產(chǎn)物羽流場，包括:在獲取聚合物燒蝕產(chǎn)物羽流場的流動區(qū)域劃分網(wǎng)格，采用多組分二維非定常流體力學(xué)控制方程進(jìn)行數(shù)值仿真，其中考慮激光在羽流場中的衰減及由此引起的燒蝕產(chǎn)物電離和等離子體發(fā)展，并根據(jù)因燒蝕產(chǎn)物羽流場吸收衰減后實(shí)際到達(dá)金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)處的激光光強(qiáng)，獲取此處激發(fā)出的電子數(shù)密度，從而得到金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)干預(yù)下的羽流場演變。
[0016]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0017]本發(fā)明脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置，通過在沖量產(chǎn)生裝置中加入金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，覆蓋受輻照聚合物的上部，利用金屬表面易產(chǎn)生自由電子的性質(zhì)誘導(dǎo)生成等離子體，而等離子體的位置和強(qiáng)度對聚合物后續(xù)燒蝕和羽流發(fā)展過程產(chǎn)生影響，從而調(diào)節(jié)激光能量在聚合物工質(zhì)和燒蝕產(chǎn)物中沉積的時(shí)間與空間分布，減小聚合物燒蝕質(zhì)量，達(dá)到控制沖量產(chǎn)生和提高質(zhì)量利用效率的目的。
[0018]同時(shí)，金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)作為沖量發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)的一部分，避免了現(xiàn)有技術(shù)摻雜金屬粉末造成的剝蝕問題，從而獲得更高的沖量發(fā)生性能。
[0019]本發(fā)明脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置，用于得到精確沖量?？蓱?yīng)用于航空航天、工業(yè)控制、激光加工等領(lǐng)域中各種需要精確瞬間推力的場合。
[0020]除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。下面將參照圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
[0022]圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2是圖1的剖視圖；
[0024]圖3是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置中金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在特定激光脈沖條件(I)下隨時(shí)間(t)變化的工作過程的示意圖；
[0025]圖4是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)下的激光燒蝕聚合物的典型流場的數(shù)值仿真結(jié)果圖；
[0026]圖5是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔徑與質(zhì)量利用效率的關(guān)系圖；
[0027]圖6是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與燒蝕面間隙與質(zhì)量利用效率變化的關(guān)系圖。圖例說明:
[0028]1、脈沖激光束發(fā)生裝置；2、沖量接收面板；3、筒狀排氣段；4、金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；5、待燒蝕聚合物。

【具體實(shí)施方式】
[0029]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明可以由所限定和覆蓋的多種不同方式實(shí)施。
[0030]圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1的剖視圖；圖3是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置中金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在特定激光脈沖條件(I)下隨時(shí)間(t)變化的工作過程的示意圖；圖4是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)下的激光燒蝕聚合物的典型流場的數(shù)值仿真結(jié)果圖；圖5是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔徑與質(zhì)量利用效率變化的關(guān)系圖；圖6是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與燒蝕面間隙與質(zhì)量利用效率變化的關(guān)系圖。
[0031]如圖1和圖2所示，本實(shí)施例的脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置，包括用于發(fā)生脈沖激光束的脈沖激光束發(fā)生裝置1、用于放置待燒蝕聚合物5并接受燒蝕過程中所產(chǎn)生的沖量的沖量接收面板2、用于導(dǎo)出燒蝕產(chǎn)物的筒狀排氣段3以及覆蓋在待燒蝕聚合物5上部并用于在燒蝕過程中誘導(dǎo)等離子體產(chǎn)生的金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4 ;沖量接收面板2設(shè)于筒狀排氣段3的底部，金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4安裝在筒狀排氣段3和/或沖量接收面板2上并覆蓋于沖量接收面板2上的待燒蝕聚合物5上部，金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4與待燒蝕聚合物5之間留有間隙h，脈沖激光束發(fā)生裝置I的脈沖激光束發(fā)生端朝向沖量接收面板2布置，脈沖激光束發(fā)生裝置I所發(fā)射的脈沖激光束穿過金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4并作用于沖量接收面板2上的待燒蝕聚合物5上。脈沖激光束發(fā)生裝置I包脈沖激光器和光束整形器件。光束整形器件設(shè)于脈沖激光器的發(fā)射端。光束整形器件作用于激光器發(fā)射的近似平行的激光束，產(chǎn)生聚焦、壓縮等效果，以實(shí)現(xiàn)到達(dá)待燒蝕聚合物表面處不同的光強(qiáng)。光束整形器件可以采用透鏡組或者反射鏡組實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置，通過在沖量產(chǎn)生裝置中加入金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，覆蓋受輻照聚合物的上部，利用金屬表面易產(chǎn)生自由電子的性質(zhì)誘導(dǎo)生成等離子體，而等離子體的位置和強(qiáng)度對聚合物后續(xù)燒蝕和羽流發(fā)展過程產(chǎn)生影響，從而調(diào)節(jié)激光能量在聚合物工質(zhì)和燒蝕產(chǎn)物中沉積的時(shí)間與空間分布，減小聚合物燒蝕質(zhì)量，達(dá)到控制沖量產(chǎn)生和提高質(zhì)量利用效率的目的。同時(shí)，金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)作為沖量發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)的一部分，避免了現(xiàn)有技術(shù)摻雜金屬粉末造成的剝蝕問題，從而獲得更高的沖量發(fā)生性能。本發(fā)明脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置，用于得到精確沖量?？蓱?yīng)用于航空航天、工業(yè)控制、激光加工等領(lǐng)域中各種需要精確瞬間推力的場合。
[0032]如圖1和圖2所示，本實(shí)施例中，金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4通過用于調(diào)節(jié)金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4與待燒蝕聚合物5之間間隙的高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝于筒狀排氣段3的內(nèi)壁面上或者沖量接收面板2上。
[0033]如圖1和圖2所示，本實(shí)施例中，金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4的網(wǎng)孔孔徑d大小可調(diào)。網(wǎng)孔孔徑d通過從金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4的四周拉伸或者金屬回彈力回復(fù)的方式調(diào)節(jié)。網(wǎng)孔孔徑d通過疊合的網(wǎng)孔相互發(fā)生錯位移動的方式調(diào)節(jié)。網(wǎng)孔孔徑d通過更換不同網(wǎng)孔孔徑大小的金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4的方式調(diào)節(jié)。
[0034]如圖1和圖2所示，本實(shí)施例中，金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4為平面網(wǎng)板或者曲面網(wǎng)板。
[0035]如圖1和圖2所示，本實(shí)施例中，沖量接收面板2和筒狀排氣段3采用整體一體化加工成型。沖量接收面板2和筒狀排氣段3采用分別加工后裝配成一體。
[0036]如圖1和圖2所示，本實(shí)施例中，脈沖激光束發(fā)生裝置I的脈沖激光束發(fā)生端與待燒蝕聚合物5之間的間隙h可調(diào)。脈沖激光束發(fā)生裝置I射出的脈沖激光束的焦點(diǎn)與待燒蝕聚合物5之間的距離可調(diào)。
[0037]如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5和圖6所示，本實(shí)施例的脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生方法，采用上述脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置；針對脈沖激光束的激光脈沖波形，對脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置的工作過程進(jìn)行數(shù)值仿真，用以獲取金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4的網(wǎng)孔孔徑參數(shù)以及金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4與聚合物之間的間隙參數(shù)；依據(jù)獲得的網(wǎng)孔孔徑參數(shù)以及間隙參數(shù)設(shè)置金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4。脈沖激光束燒蝕金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4生成高電子數(shù)密度產(chǎn)物，高電子數(shù)密度產(chǎn)物用于增強(qiáng)對入射的脈沖激光束的吸收以及用于使金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4所處位置形成高壓，同時(shí)高電子數(shù)密度產(chǎn)物阻滯聚合物燒蝕產(chǎn)物羽流場入口處的輸入聚合物燒蝕產(chǎn)物的運(yùn)動，使金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4與聚合物的燒蝕面之間形成低速高壓區(qū)域；當(dāng)停止輸出脈沖激光束后，利用金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4的所處位置形成的高壓以及金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4與聚合物的燒蝕面之間形成的低速高壓區(qū)域的高壓減緩聚合物的燒蝕面壓強(qiáng)的衰弱速度，從而獲得高效的沖量性能并提高聚合物燒蝕過程中的質(zhì)量利用效率。
[0038]如圖1、圖2、圖4、圖5和圖6所示，本實(shí)施例中，對脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置的工作過程進(jìn)行數(shù)值仿真包括以下步驟:步驟一，設(shè)定聚合物內(nèi)部的初始參數(shù)和聚合物燒蝕產(chǎn)生的聚合物燒蝕產(chǎn)物羽流場的初始參數(shù)；步驟二，在每一時(shí)間步內(nèi)，獲取聚合物燒蝕參數(shù)以及獲取聚合物燒蝕產(chǎn)物羽流場，實(shí)時(shí)獲取聚合物的燒蝕面處的光強(qiáng)、動壓和靜壓；步驟三，重復(fù)步驟二，直至燒蝕面壓強(qiáng)與環(huán)境壓強(qiáng)平衡時(shí)結(jié)束或達(dá)到預(yù)設(shè)停止時(shí)間時(shí)結(jié)束；步驟四，根據(jù)燒蝕面動壓和靜壓進(jìn)行時(shí)間積分，獲取產(chǎn)生的沖量值，并由此得到質(zhì)量利用效率；步驟五，劃分參數(shù)水平，通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)，即可得到特定脈沖激光束條件下達(dá)到高質(zhì)量利用效率的金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4的網(wǎng)孔孔徑參數(shù)以及金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4與聚合物之間的間隙參數(shù)。
[0039]本實(shí)施例中，步驟二中，獲取聚合物燒蝕參數(shù)，包括:在聚合物內(nèi)部劃分網(wǎng)格，采用熱傳導(dǎo)和聚合物熱解化學(xué)動力學(xué)方程，考慮熱解產(chǎn)物組分和熱力學(xué)性質(zhì)的變化、及因此產(chǎn)生的跨臨界溫度燒蝕，獲取燒蝕質(zhì)量損失和燒蝕產(chǎn)物初始參數(shù)；計(jì)算完畢后，向羽流場輸出入口參數(shù)，包括產(chǎn)物組分和狀態(tài)參數(shù)，狀態(tài)參數(shù)包括壓力、密度和速度。
[0040]本實(shí)施例中，步驟二中，獲取聚合物燒蝕產(chǎn)物羽流場，包括:在獲取聚合物燒蝕產(chǎn)物羽流場的流動區(qū)域劃分網(wǎng)格，采用多組分二維非定常流體力學(xué)控制方程進(jìn)行數(shù)值仿真，其中考慮激光在羽流場中的衰減及由此引起的燒蝕產(chǎn)物電離和等離子體發(fā)展，并根據(jù)因燒蝕產(chǎn)物羽流場吸收衰減后實(shí)際到達(dá)金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4處的激光光強(qiáng)，獲取此處激發(fā)出的電子數(shù)密度，從而得到金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4干預(yù)下的羽流場演變。
[0041]本實(shí)施例中，和聚合物相比，金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)燒蝕產(chǎn)物的動量小一個(gè)數(shù)量級?？梢哉J(rèn)為金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)燒蝕產(chǎn)物與聚合物燒蝕產(chǎn)物相互作用時(shí)，金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)燒蝕產(chǎn)物對聚合物產(chǎn)物的動量無影響，金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)燒蝕產(chǎn)物在聚合物燒蝕產(chǎn)物中擴(kuò)散。脈沖激光燒蝕聚合物在金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4參與下的工作過程如圖3所示，包括以下階段:如圖3(a)所示，階段一，激光輻照開始；如圖3(b)所示，階段二，聚合物和金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4分別發(fā)生燒蝕并分別飛散聚合物燒蝕產(chǎn)物和金屬燒蝕產(chǎn)物，聚合物燒蝕產(chǎn)物與金屬燒蝕產(chǎn)物之間無相互作用；如圖3 (c)所示，階段三，聚合物燒蝕產(chǎn)物到達(dá)金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4所處位置，并金屬燒蝕產(chǎn)物相互混合,并且由于聚合物燒蝕產(chǎn)物羽流動量遠(yuǎn)大于金屬燒蝕產(chǎn)物羽流動量,聚合物燒蝕產(chǎn)物羽流裹挾金屬燒蝕產(chǎn)物羽流繼續(xù)飛散；如圖3(d)所示，階段四，金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4被聚合物燒蝕產(chǎn)物羽流包裹，金屬燒蝕產(chǎn)生的高電子數(shù)密度產(chǎn)物分布于金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4表面并誘導(dǎo)附近的聚合物燒蝕產(chǎn)物迅速升溫、離解和電離，形成等離子體；如圖3(e)所示，階段五，金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4周圍的高溫、高壓等離子體向周圍膨脹，并繼續(xù)吸收入射激光能量，等離子體所形成的等離子體區(qū)域迎著激光入射方向發(fā)展；由于等離子體的屏蔽作用，到達(dá)金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4表面的激光能量減少，金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4的燒蝕速度放緩；如圖3(f)所示，階段六，激光脈沖熄滅后，金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4周圍的等離子體繼續(xù)往四周膨脹，并與聚合物燒蝕面碰撞發(fā)生反射；如圖3(g)所示，階段七，等離子體熄滅，聚合物燒蝕產(chǎn)物羽流繼續(xù)向真空飛散；如圖3(h)所示，階段八，脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置恢復(fù)到初始狀態(tài)。
[0042]本實(shí)施例中，階段四和階段五期間，金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4燒蝕產(chǎn)生的高電子數(shù)密度產(chǎn)物增大了其附近聚合物燒蝕產(chǎn)物的電子數(shù)密度，使入射激光能量在聚合物產(chǎn)物中的沉積率明顯增加，致使聚合物產(chǎn)物迅速發(fā)生電離，形成等離子體。高溫、高壓等離子體一方面屏蔽入射激光，影響金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和聚合物的后續(xù)燒蝕，另一方面改變燒蝕產(chǎn)物的速度分布，進(jìn)而影響沖量發(fā)生特性。
[0043]實(shí)施時(shí)，通過在沖量產(chǎn)生裝置中加入金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以對激光能量在聚合物工質(zhì)和工質(zhì)燒蝕產(chǎn)物中沉積的時(shí)間與空間分布進(jìn)行調(diào)整，減小聚合物燒蝕質(zhì)量，提高沖量產(chǎn)生裝置的質(zhì)量利用效率。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的原理裝置驗(yàn)證了上述特性和優(yōu)點(diǎn)。
[0044]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置，其特征在于， 包括用于發(fā)生脈沖激光束的脈沖激光束發(fā)生裝置(I)、用于放置待燒蝕聚合物(5)并接受燒蝕過程中所產(chǎn)生的沖量的沖量接收面板(2)、用于導(dǎo)出燒蝕產(chǎn)物的筒狀排氣段(3)以及覆蓋在所述待燒蝕聚合物(5)上部并用于在燒蝕過程中誘導(dǎo)等離子體產(chǎn)生的金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)⑷； 所述沖量接收面板(2)設(shè)于所述筒狀排氣段(3)的底部， 所述金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(4)安裝在所述筒狀排氣段(3)和/或所述沖量接收面板(2)上并覆蓋于所述沖量接收面板(2)上的所述待燒蝕聚合物(5)上部， 所述金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(4)與所述待燒蝕聚合物(5)之間留有間隙， 所述脈沖激光束發(fā)生裝置(I)的脈沖激光束發(fā)生端朝向所述沖量接收面板(2)布置，所述脈沖激光束發(fā)生裝置(I)所發(fā)射的脈沖激光束穿過所述金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(4)并作用于所述沖量接收面板(2)上的所述待燒蝕聚合物(5)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(4)通過用于調(diào)節(jié)所述金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(4)與所述待燒蝕聚合物(5)之間間隙的高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝于所述筒狀排氣段(3)的內(nèi)壁面上或者所述沖量接收面板(2)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置，其特征在于， 所述金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)⑷的網(wǎng)孔孔徑大小可調(diào)； 所述網(wǎng)孔孔徑通過從所述金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(4)的四周拉伸或者金屬回彈力回復(fù)的方式調(diào)節(jié)；或者 所述網(wǎng)孔孔徑通過疊合的網(wǎng)孔相互發(fā)生錯位移動的方式調(diào)節(jié)；或者 所述網(wǎng)孔孔徑通過更換不同網(wǎng)孔孔徑大小的所述金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(4)的方式調(diào)節(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(4)為平面網(wǎng)板或者曲面網(wǎng)板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置，其特征在于， 所述沖量接收面板(2)和所述筒狀排氣段(3)采用整體一體化加工成型；或者 所述沖量接收面板(2)和所述筒狀排氣段(3)采用分別加工后裝配成一體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置，其特征在于， 所述脈沖激光束發(fā)生裝置(I)的脈沖激光束發(fā)生端與所述待燒蝕聚合物(5)之間的間隙可調(diào)；或者 所述脈沖激光束發(fā)生裝置(I)射出的脈沖激光束的焦點(diǎn)與所述待燒蝕聚合物(5)之間的距離可調(diào)。
7.一種脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生方法，其特征在于， 采用權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置； 針對脈沖激光束的激光脈沖波形，對所述脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置的工作過程進(jìn)行數(shù)值仿真，用以獲取金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(4)的網(wǎng)孔孔徑參數(shù)以及金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(4)與聚合物之間的間隙參數(shù)； 依據(jù)獲得的所述網(wǎng)孔孔徑參數(shù)以及所述間隙參數(shù)設(shè)置所述金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(4)； 脈沖激光束燒蝕所述金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(4)生成高電子數(shù)密度產(chǎn)物，所述高電子數(shù)密度產(chǎn)物用于增強(qiáng)對入射的所述脈沖激光束的吸收以及用于使所述金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(4)所處位置形成高壓，同時(shí)所述高電子數(shù)密度產(chǎn)物阻滯聚合物燒蝕產(chǎn)物羽流場入口處的輸入聚合物燒蝕產(chǎn)物的運(yùn)動，使所述金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(4)與聚合物的燒蝕面之間形成低速高壓區(qū)域； 當(dāng)停止輸出脈沖激光束后，利用所述金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(4)的所處位置形成的高壓以及所述金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(4)與所述聚合物的燒蝕面之間形成的低速高壓區(qū)域的高壓減緩聚合物的燒蝕面壓強(qiáng)的衰弱速度，從而獲得高效的沖量性能并提高聚合物燒蝕過程中的質(zhì)量利用效率。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生方法，其特征在于， 對脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生裝置的工作過程進(jìn)行數(shù)值仿真包括以下步驟: 步驟一，設(shè)定聚合物內(nèi)部的初始參數(shù)和聚合物燒蝕產(chǎn)生的聚合物燒蝕產(chǎn)物羽流場的初始參數(shù)； 步驟二，在每一時(shí)間步內(nèi)，獲取聚合物燒蝕參數(shù)以及獲取聚合物燒蝕產(chǎn)物羽流場，實(shí)時(shí)獲取聚合物的燒蝕面處的光強(qiáng)、動壓和靜壓； 步驟三，重復(fù)步驟二，，直至燒蝕面壓強(qiáng)與環(huán)境壓強(qiáng)平衡時(shí)結(jié)束或達(dá)到預(yù)設(shè)停止時(shí)間時(shí)結(jié)束； 步驟四，根據(jù)燒蝕面動壓和靜壓進(jìn)行時(shí)間積分，獲取產(chǎn)生的沖量值，并由此得到質(zhì)量利用效率； 步驟五，劃分參數(shù)水平，通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)，即可得到特定脈沖激光束條件下達(dá)到高質(zhì)量利用效率的金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(4)的網(wǎng)孔孔徑參數(shù)以及金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(4)與聚合物之間的間隙參數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生方法，其特征在于， 所述步驟二中，獲取聚合物燒蝕參數(shù)，包括: 在聚合物內(nèi)部劃分網(wǎng)格，采用熱傳導(dǎo)和聚合物熱解化學(xué)動力學(xué)方程，考慮熱解產(chǎn)物組分和熱力學(xué)性質(zhì)的變化、及因此產(chǎn)生的跨臨界溫度燒蝕，獲取燒蝕質(zhì)量損失和燒蝕產(chǎn)物初始參數(shù)； 計(jì)算完畢后，向羽流場輸出入口參數(shù)，包括產(chǎn)物組分和狀態(tài)參數(shù)，狀態(tài)參數(shù)包括壓力、密度和速度。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生方法，其特征在于， 所述步驟二中，獲取聚合物燒蝕產(chǎn)物羽流場，包括: 在獲取聚合物燒蝕產(chǎn)物羽流場的流動區(qū)域劃分網(wǎng)格，采用多組分二維非定常流體力學(xué)控制方程進(jìn)行數(shù)值仿真，其中考慮激光在羽流場中的衰減及由此引起的燒蝕產(chǎn)物電離和等離子體發(fā)展，并根據(jù)因燒蝕產(chǎn)物羽流場吸收衰減后實(shí)際到達(dá)金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(4)處的激光光強(qiáng)，獲取此處激發(fā)出的電子數(shù)密度，從而得到金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(4)干預(yù)下的羽流場演變。
【文檔編號】B29C67/00GK104441659SQ201410706435
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】李小康, 程謀森, 李干 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)