在空气环境下研究碳纤维增强聚合物层的激光消光行为

科学领域:

• 材料科学 材料科学 材料科学
• 航空航天工程 航空航天工程
• 计算力学 计算力学 计算力学

背景情况:

• 碳纤维增强聚合物 (CFRP) 在激光照射下表现出复杂的损伤,这对于航空航天热保护至关重要.
• 现有的模型很难准确地模拟CFRP在激光效应下的多参数剥离和故障机制.
• 了解CFRP在空气中的剥离行为对于先进的航空航天应用至关重要.

研究的目的:

• 开发一个先进的热力学模型来模拟CFRP激光切除.
• 调查不同废弃机制 (矩阵热解,碳纤维氧化,升华) 的贡献.
• 为了预测不同功率密度下的CFRP中激光除进展情况.

主要方法:

• 创建了一个热力学合模型,结合了取决于温度的特性.
• 开发了一种使用"出生和死亡元素方法",自适应网 (ALE) 和切除动态的数值方法.
• 进行了实验验证,以比较模型预测与切除深度数据.

主要成果:

• 该模型准确地预测了CFRP剥离深度,根据1000W (267.43μm) 和2000W (783.88μm) 的实验数据进行验证.
• 废弃机制从1000W的碳纤维氧化转变为包括在空气中2000W的碳纤维升华.
• 该研究量化了CFRP层材中各种废弃机制的相对重要性.

结论:

• 开发的模型和数值方法提高了CFRP激光切除的模拟精度.
• 了解随着激光功率的增加而发生的除机制的转变对于热保护设计至关重要.
• 这项研究为优化经过激光诱导的热负荷的航空航天结构提供了基础.