李元杰[1]2003年在《激光辐照拉伸纤维的形变机理及特征》文中研究表明本工作旨在将新型的具有独特性质的激光能源应用于纤维拉伸，研究在微小区域高能量密度条件下运行的不同于传统拉伸工艺的纤维形变机理及其特征。以聚对苯二甲酸乙二酯(PET)为例，说明这一特定拉伸形成的纤维的性能特征，通过微观结构的表征，对其特性予以结构方面的解释，从而为激光辐照拉伸初步建立了工艺—结构—性能叁者的关系。论文主要有以下6部分： 1)通过讨论纤维的强度、模量、韧性与结构关系、制备特定性能纤维的方法、结构模型在建立对纤维结构与性能关系中的应用，指出制备高强高模纤维必须改善纤维叁个方面的结构：一是完善纤维的结晶结构，加强纤维无定形区域分子链的物理交联点；二是降低纤维无定形区域分子链的链端和链环，提高纤维截面上承受应力的分子链数；叁是尽量减少无定形区域分子链的长度差异，实现应力分布更均匀。归纳了目前制备高强高模纤维的主要方法，包括溶液纺丝法、溶胀—拉伸法、振动拉伸法、区域拉伸法，重点说明区域拉伸是一种仍有待深入研究并具有前景的工艺手段。由此引出通过激光辐照实现更小区域拉伸的设想。 2)讨论了以激光加工聚合物材料的不同方式(切割、焊接、烧蚀等)对激光波长和功率有不同要求，说明本工作中选择二氧化碳(CO_2)激光进行纤维拉伸的原因。并进一步阐明了CO_2激光器的工作原理、CO_2激光束的特点以及对聚合物材料的作用。CO_2激光束的主要特点包括高单色性、高相干性、高方向性、高亮度等；作用的实质是CO_2激光的电磁波与聚合物中原子和原子基团之间发生各种耦合振动，由于聚合物的粘性，振动引起摩擦，将电磁能转换成热能，聚合物温度快速上升。由于CO_2激光波长10.6μm，其光子能量为0.176eV，远小于化合物的电离能，不会直接引起聚合物的降解。激光对聚合物材料作用时发生非线性光学(如自聚焦)、产生弹性应力等现象；纤维的几何尺寸影响激光能量的转换效率，当纤维直径小于激光波长10倍时发生米氏散射效应，加大了纤维对激光能量的吸收效率，这种吸收效率同样受纤维的取向结构中文摘要和结晶结构、纤维温度的影响，为激光辐照拉伸机理的讨论奠定基础。归纳了进行激光辐照拉伸时激光能源部分可调参数及其效应，指出本工作中使用的激光器的输出功率为30一70W，激光束的腰粗约2~，瑞利距离为1184~，纤维的位置在这个距离范围之内，。 3)论述了本工作中用于聚合物结构表征的主要方法(如密度梯度、差示扫描量热(DSC)、广角X一射线衍射(场叭XD)、声速、傅里叶变换红外光谱 (FTIR”的基本原理、相应的表征内容及其局限性，阐述了本工作中各种表征方法的测试条件，为建立工艺一结构一性能关系奠定实验基础。 4)推导并建立了激光辐照拉伸过程中纤维的形变模型。探讨了激光能量转换、应变、应变速率和拉伸过程中纤维形变特点。认为在采用的拉伸条件下可以忽略结晶对应力的影响，纤维应力受纤维温度、应变、应变速率的控制;纤维结晶过程主要在形变结束后进行;稳态拉伸条件下得到能量平衡方程。分析了纤维特征参数包括热对流系数、纤维密度、纤维比热的变化规律，表明:热对流系数随着纤维速度的增加和纤维半径的减小而逐渐增大，但增长速率逐渐减小;密度在拉伸过程中变化不会太大，变化小于10%;纤维比热随着温度的升高而线性增加。分析了激光辐照拉伸过程中热传导、热对流、热辐射叁种热传递方式，并予以相互比较，表明纤维升温过程中，热对流是能量散失的主要方式，热传导次之，热辐射影响最小，当纤维温度范围在350一650K、平均速度大于1.0而s、纤维半径小于30“m条件下，热传导和热辐射的影响可以忽略，热对流是主要的热传递模式。模拟了激光辐照拉伸过程中纤维的温度、应力、应变、应变速率等物理量变化规律。通过与传统热拉伸工艺比较表明:激光辐照拉伸形变过程中，纤维最高温度可达sooK，较热辊拉伸纤维最高温度高约70K，达到PET纤维最大结晶速率温度;最大升温速率是热辊拉伸的10倍;形变区域小，在0.2~左右的区间内完成形变，而热辊拉伸需在约1~才能完成。因此，激光辐照拉伸形变速率高，最大形变速率是热辊拉伸的10倍;由于拉伸过程中，激光辐照拉伸纤维温度上升较高，降低了纤维的最大断裂应力，从而降低了纤维的最大拉伸张力，因此激光辐照拉伸时，拉伸张力较小。从而预见，激光辐照拉伸纤维必然有与传统工艺下的拉伸纤维不同的特征性的结构和性能。 5)研究了激光辐照拉伸工艺与工艺参数和性能的关系。考察了激光功率、四川大学博十学位论文光强分布、纤维供给速度、拉伸比和拉伸区前增加热板的温度、纤维相对激光焦点的距离等工艺参数的影响。结果表明，纤维拉伸应力随着激光辐照功率的增加而减小，但随着纤维相对激光焦点距离的增加而增大，达到100~后，激光辐照的影响很小，拉伸应力不再发生变化。同热辊拉伸相比，供给速度和拉伸比相同的前提下，3000耐min的初生纤维激光辐照时的拉伸应力约小20%。激光辐照拉伸时，3000、500hamin初生纤维的最大拉伸比分为2.2和5.0，与热辊拉伸工艺类
李元杰, 李鑫, 崔宁, 吴立衡, 吴大诚[2]2003年在《二氧化碳激光辐照拉伸纤维形变机理研究进展》文中研究指明介绍了二氧化碳激光辐照拉伸纤维的实验方法 ,纤维的形变特征及纤维的结构与性能 ,与传统热拉伸纤维比较 ,二氧化碳激光拉伸纤维最大形变速率超过 10 4s- 1 ,具有较高强度、模量和韧性。
李元杰, 李鑫, 宋青, 吴立衡, 吴大诚[3]2003年在《在激光辐照下拉伸的聚对苯二甲酸乙二酯纤维的结构与性能》文中认为激光辐照拉伸纤维的形变机理及特征
宋娜[4]2006年在《相对湿度对单轴拉伸聚对苯二甲酸乙二酯纤维结构演变的作用》文中研究表明本文使用等速升温DSC方法研究了不同环境湿度下存放对取向PET纤维冷结晶过程的影响。根据DSC升温曲线上的双重冷结晶峰的温度范围,确定样品的升温处理条件,并使用WAXD对经过处理的样品进行赤道方向和子午方向的衍射。利用非等温结晶动力学方程和非线性拟合的方法进一步对结晶过程进行动力学分析。 首先,以PET初生纤维为原料,制备不同取向的PET纤维,将其置于不同环境湿度下存放,然后对经过存放的PET纤维样品进行各种测试。平衡回潮率的测试表明在一定温度下,纤维的平衡回潮率随相对湿度增大而增大。取向度的测试表明,在一定湿度时,取向度随着拉伸比增大而提高;在环境湿度为0%RH～50%RH时,拉伸比为2.48、3.30与3.91时纤维取向度随相对湿度呈下降趋势;而在50%RH～100%RH区间,拉伸比为2.48、3.30与3.91时纤维取向度随相对湿度均呈上升趋势。拉伸比为1.75的纤维样品在0%RH～100%RH区间的取向度随相对湿度一直呈下降趋势。对在环境湿度0%RH下存放的纤维样品的等速升温DSC曲线研究表明,较高取向PET纤维的非等温DSC曲线中没有出现Tg特征,同时结晶温度也开始向低温方向扩展,冷结晶峰表现为弥散的宽峰或几乎成一条直线;对不同环境湿度下存放的纤维样品的等速升温DSC曲线研究表明,从低温侧开始都可以观察到一个小的玻璃化转变,两个冷结晶放热峰和一个熔融吸热峰。随着相对湿度由0%RH逐渐增大到100%RH,Tg发生较小的降低,而Tc向低温扩展,且分化成双重冷结晶峰。WAXD测试中发现制备取向且无明显结晶的PET纤维的工艺条件。 综合吸湿等温线、DSC升温曲线、WAXD衍射曲线以及结晶动力学分析认为,不同湿度下存放对PET取向纤维冷结晶的晶体形态影响如下:130℃以下,环境湿度为0～22.5%RH,生成晶体形念为棒状的,沿纤维轴方向生长。水分子对取向PET纤维链段起到增塑作用。当环境湿度为22.5～100%RH时,随着水分子的增多,生成晶体形态是二维的。继续升温至160℃时,湿度对结晶过程基本无影响,生成晶体形态主要是叁维的。
彭仁贵[5]2013年在《碳纳米管/弹性体复合材料的制备及其光致机械响应行为研究》文中认为本论文基于致动器研制的最新进展,通过对致动器用材料的创新设计和优化制备,得到了具有近红外(NIR)激光可逆驱动的碳纳米管/弹性体复合材料,对其纳米结构和光致机械响应行为进行了深入研究。包括以下叁个方面的工作：(1)将羟基化多壁碳纳米管(MWCNTs)和双组份硅橡胶通过超声、搅拌混合后,形成稳定分散的黑色悬浮液,然后用注射器抽取一定量的碳纳米管/硅橡胶分散液,注射到预先加热的硅油中,硅橡胶进行快速的原位交联固化反应,成功地制备了碳纳米管/聚二甲基硅氧烷(MWCNT/PDMS)纳米复合纤维。研究发现：MWCNTs均匀地分散在PDMS基体中；对MWCNT/PDMS复合纤维进行拉伸,使其获得预应变,可以诱导MWCNTs在PDMS基体中取向排列；以波长为808nm的NIR激光辐照时,具有低预应变(2%≤ε≤10%)的复合纤维快速伸展,而高预应变(10%≤ε≤40%)的纤维快速收缩,光照停止,纤维立即回复至初始态；纤维产生应力(输出力)随其预应变或MWCNTs取向度增加而增加；增加NIR激光辐照面积或功率,纤维产生应力增加；纯PDMS纤维光照时无机械响应。(2)根据分子设计原理合成了向列相腰接型液晶单体,再将MWCNTs、液晶单体、交联剂和光引发剂混合均匀,然后紫外光引发聚合反应,成功地制备了碳纳米管腋晶弹性体(MWCNT/LCE)复合薄膜。研究发现：MWCNTs均匀地分散在LCE基体中；在NIR激光辐照开-关时,MWCNT/LCE复合薄膜可逆地收缩与伸展：随MWCNTs含量增加,复合薄膜的光致动应变先增加后减小,并在0.3wt%时达到最大值47%,对应的光致机械响应速率高达3.6%s-1。。(3)为对比研究,分别以氧化石墨烯(GO)、还原氧化石墨烯(RGO)和MWCNTs为功能填料制备了GO/PDMS、RGO/PDMS、MWCNT/PDMS和MWCNT/LCE弹性体纳米复合薄膜,并以NIR激光辐照研究薄膜的光致机械响应行为。结果发现：使用相同PDMS基体时,与MWCNTs复合所得薄膜的光致形变和响应速率最大,而GO/PDMS最小；使用相同纳米碳填料时,与LCEs复合所得薄膜的光致形变和响应速率最大。
陈众迎[6]2010年在《T300/AG80复合材料层合板力学性能的测试与分析》文中认为碳纤维/环氧树脂复合材料由于具有比强度高、比模量高、密度小、耐热、耐低温、优异的热物理性能、化学稳定性以及材料性能可设计等优点,已广泛应用于航天、航空、体育休闲和工业领域。研究碳纤维/环氧树脂复合材料的力学性能,尤其是其高温性能,对其在超常环境下的使用具有重要意义。复合材料性能对强激光防护作用的研究,具有国防参考价值。本文以航天工程中广泛使用的T300/AG80复合材料板为研究对象,主要研究内容包括:(1)测试常温下T300/AG80复合材料层合板横向试件、纵向试件的破坏载荷、弹性模量。采用图像识别法测试高温下复合材料层合板横向试件、纵向试件的破坏载荷、弹性模量,对实验数据进行拟合,获得了复合材料结构高温力学性能的经验公式。计算其高温力学性能保留率,分析温度对T300/AG80复合材料力学性能的影响,给出了复合材料结构的建议使用温度。(2)测试预加载荷T300/AG80复合材料层合板试件激光辐照下的破坏时间,分析预加载荷、激光功率密度对破坏时间的影响规律。通过对实验数据进行拟合,获得试件破坏时间与载荷及激光功率密度关系的表达式,为T300/AG80复合材料结构在载荷与激光共同作用下的寿命预测提供依据。(3)建立有限元模型,研究在拉伸、压缩载荷下,T300/AG80复合材料层合板各层的应力分布,分析铺层角度对层合板结构力学性能的影响。
李干[7]2010年在《激光辐照下纤维复合材料宏—细观效应的数值模拟研究》文中研究说明随着激光和复合材料的蓬勃发展,在国防、工业、医疗等领域中都涉及到激光和纤维复合材料的相互作用问题。特别是随着激光脉冲变短、功率变强、加工尺度变小、精度需求不断提高,激光与复合材料的相互作用呈现微观化、复杂化等趋势,宏观的处理已经不能满足要求,因而直接从细观尺度分析材料不均匀性对辐照效应的影响是很有必要的。本文在总结归纳激光与物质相互作用原理的基础上,结合纤维复合材料的特点,建立了描述纤维复合材料细观结构受激光辐照后加热、相变、产物飞散的物理模型。采用Fortran和APDL(ANSYS Parameter Design Language)编写程序,对模型进行分析计算,主要研究了纤维复合材料细观结构在激光辐照下的热-力学响应及其对材料宏观辐照效应的影响。根据材料组元性质差异的大小和纤维束的排布情况,将细观模型分为单纤维束横布、单纤维束竖布、双纤维束和四纤维束模型。采用热焓法和ANSYS“生死单元”技术模拟得到了不同模型的烧蚀形态、温度场、应力场和质量烧蚀率,以此为基础分析了不同组元间能量流动的路径和相互作用的特点。结果表明,在辐照面附近能量从基体流入纤维束,在深层则相反;质量烧蚀率随纤维束占辐照面比例的增减而呈现相反的变化;热软化致使最大应力区域偏离最大应变位置。通过模拟不同激光强度下的辐照效应,从烧蚀形态、温度场和质量烧蚀率等方面讨论了激光参数对辐照效应的影响。结果表明,光强越大组元不均匀性影响越大;在考虑的光强范围内(108~1010W/m2),质量烧蚀率近似和光强成正比;纤维束在辐照过程中起“热泵”的作用,调节基体的烧蚀能耗,光强越小效果越明显。通过分析产物效应,模拟得到了产物飞散后的空间分布和状态参数;通过分析产物气体吸收截面,考虑了产物对后续辐照效应的影响。结果表明,产物飞散导致冲击波在环境气体中传播;飞散产物的影响主要是对靶材的保温效应,对激光的反作用可以忽略。为了探讨细观结构对材料宏观辐照效应的影响,总结了细观结构激光辐照效应的特点,提出了整体采用宏观模型、关键部位采用细观模型进行校验的分析思路。以细观模型为基础,对推导宏观模型参数的混合法的适用性进行了分析,结果表明,光强越大、组分性质越相近、组分比例越小,混合法则的适用性越好。
王以忠[8]2007年在《激光对碳纤维增强环氧树脂基复合材料的辐照效应》文中指出论文较系统地研究了激光辐照下碳纤维增强环氧树脂基复合材料的热、力学响应。首先,利用脉冲激光进行了激光辐照碳纤维增强环氧树脂基复合材料实验,通过观察实验现象和测量相关物理量研究了烧蚀机理。在实验中逐渐增加激光能量密度时,首先是环氧树脂热解碳化,随后碳纤维发生烧蚀并可能烧穿;能量密度相同时重复频率高的激光引起的烧蚀比重复频率低的激光引起的的烧蚀严重。其次,为了模拟激光对碳纤维增强环氧树脂基复合材料的热烧蚀损伤,建立了一维热烧蚀模型,编制了计算程序,计算结果与文献发表的结果相符较好。计算不同参数的激光辐照复合材料引起的温升表明,相同的能量密度条件下,脉冲功率高时辐照面处产生的热解吸热会导致背表面温升偏低。最后,为了模拟激光对碳纤维增强环氧树脂基复合材料的热应力损伤,用ANSYS有限元软件计算了较低功率密度激光辐照下复合材料内的温度场、热应力场,分析了由于复合材料各向异性带来的温度、热应力分布特点。
王开宇[9]2017年在《熔石英元件光学缺陷激光修复的动力学过程研究》文中提出对CO_2激光修复熔石英元件损伤的理论上的计算模拟,首先要建立修复元件损伤的物理过程的模型及对不同损伤形貌的几何模型。研究在同一激光参数下不同损伤尺寸的热力学和动力学过程;研究在同一损伤尺寸不同激光参数下的热力学和动力学过程。作为高通量段固体激光装置的首选材料熔石英,由激光导致的损伤依然是限制CO_2激光通量的主要因素。抑制元件表面损伤增加,是提高激光装置负载能力的一个重要方法。在众多修复损伤的方法中,普遍认同CO_2激光的修复效果,针对这种修复方案的物理过程展开了理论分析及数值计算,本文研究的主要内容及结论如下:1.总结了熔石英表面损伤的特点、类型。结果表明:可以从损伤形貌上将其划分为划痕型、麻点型、坑洞型等几种。从形成属性上可分为脆性、塑性以及两种属性相混的损伤形貌。损伤点的形貌与CO_2激光光束形状、大小和空间分布有直接关系。对常见的元件表面损伤形貌进行建模,运用传热和流动的耦合来确立激光辐照熔石英元件的熔融模型,定量的描述了熔石英元件修复过程中的表面特征。2.只改变一种CO_2激光的参数,保持其它参数不变情况下,探讨了多种激光参数对修复不同损伤形貌的结果。结果显示修复后的形貌,基本外形呈现高斯坑形,对修复结果的影响比较显着的激光参数有:激光辐照时间、光束形状和功率。脉冲频率对修复尺寸的影响则不大,但增加频率可显着的缓解熔石英材料的蒸发,而对熔石英材料的熔融区域影响不大,可使元件修复后的表面更加光滑。和现有的实验结论相符合。3.计算了高斯形光束辐照熔石英元件的温度的演化过程和温度分布。刚修复后,最高温度位于光斑中心,并由中心向外梯度下降,温度在材料表面的下降速度较快,而温度在材料内的的下降速度则较慢,材料表面的等温线呈环形,而元件内的等温线的深度相对较小、宽度相对较大。在修复过程中和和修复后的冷却降温过程中温度变化均是先快速降低,然后减缓。4.在模拟修复后冷却过程中采用蠕变理论来分析,用该理论分析熔石英材料的退火过程中的应力。通过模拟可知该理论可有效的分析退火过程中的应力。此外,通过对比可以发现在退火过程中可以用大光束的激光,这有利于提高熔石英元件修复后的表面光滑程度。5.计算了激光辐照元件的热应力的分布与演化,及激光参数如何影响应力分布。CO_2激光辐照过程中光斑所在区会产生压应力,而在光斑之外产生拉应力,修复后的降温过程恰恰相反。材料表层的主应力关于光斑中心呈圆形分散开,光束中心元件表面的最大拉应力处于光束外围。而材料表面的最大剪切应力有四个,它们关于光束的圆心对称,并且位于辐照边缘,形状相似。此外残余剪切应力的最大半径只与激光光束的半径有关,和现有的实验结论相符合。6.模拟计算了光束半径、激光功率、辐照时间叁个激光参数如何影响修复过程中材料在熔融时的流动,结果显示,随辐照时间的延长,熔融材料的流速迅速上升,同时,凸起环高度和高斯坑深度也快速增加。此外,在元件相同的最高温度情况下,改变光束半径和激光功率对的流速影响均较小。随着激光单位面积功率增大,凸起环高度、高斯坑深度、宽度均有不同程度增大,然而,激光功率对坑深和环高影响更显着,而光束半径对坑深和环高影响较弱,但对坑宽的影响却较显着。
王纪俊[10]2007年在《激光热弹超声体力源和对应波形的数值研究》文中研究说明本文采用有限元方法建立了用于研究脉冲激光在不同性质固体材料中热弹激发超声波的数值模型,进而对不同性质固体材料中的激光超声体力源和超声波的产生机理、传播特征以及力源和波形之间关系进行了数值模拟研究。在同时考虑脉冲激光的时间分布和空间分布、介质的热传导效应和激光在材料中的光穿透效应以及材料性质随温度变化的条件下,分别研究了金属材料和非金属材料中激光热弹超声力源和超声波的产生和传播过程,分析了金属和非金属材料中激光超声波的特点。结合对心波形,得到了不同力源模型下的应力场和对应超声波波形间的物理关系。利用有限元方法研究了脉冲激光在透明薄膜/基底系统中激发超声力源和超声波的产生和传播过程。分析了该系统中激光激励产生埋藏体力源的特点以及和超声波波形之间的关系,研究了透明薄膜厚度对超声力源和超声波波形的影响及规律。结果表明,透明薄膜厚度的增加对系统温度场和应力场的影响效果并不相同;透明薄膜的约束使热弹应力场的轴向应力增大,但透明薄膜厚度超过一定值后,继续增加厚度对激光超声力源的形成不产生新的影响。研究了脉冲激光在具有横观各向同性的单向纤维加强复合材料平行薄板中激发超声力源的产生和传播过程,利用应力分布和薄板变形的时间演变过程分析了激光超声Lamb波不同模态的力学产生和传播过程。采用上述方法研究了单向纤维加强复合材料厚板中超声体波的产生和传播过程,分析了横观各向同性材料不同传播平面内的应力场和超声波的产生和传播特征。结果显示,激光超声波在各向异性材料中的传播特征与超声波的传播方向有密切关系。本文所建立的不同性质固体材料中的激光超声波和材料参数、激光参数间的定量关系,可用于不同性质材料中的激光超声产生和传播规律的研究,为金属、非金属、薄膜/基底系统和复合材料的激光超声无损检测和评估及参数优化提供理论依据。
参考文献：
[1]. 激光辐照拉伸纤维的形变机理及特征[D]. 李元杰. 四川大学. 2003
[2]. 二氧化碳激光辐照拉伸纤维形变机理研究进展[J]. 李元杰, 李鑫, 崔宁, 吴立衡, 吴大诚. 合成纤维工业. 2003
[3]. 在激光辐照下拉伸的聚对苯二甲酸乙二酯纤维的结构与性能[J]. 李元杰, 李鑫, 宋青, 吴立衡, 吴大诚. 高分子学报. 2003
[4]. 相对湿度对单轴拉伸聚对苯二甲酸乙二酯纤维结构演变的作用[D]. 宋娜. 天津工业大学. 2006
[5]. 碳纳米管/弹性体复合材料的制备及其光致机械响应行为研究[D]. 彭仁贵. 湖北大学. 2013
[6]. T300/AG80复合材料层合板力学性能的测试与分析[D]. 陈众迎. 北京工业大学. 2010
[7]. 激光辐照下纤维复合材料宏—细观效应的数值模拟研究[D]. 李干. 国防科学技术大学. 2010
[8]. 激光对碳纤维增强环氧树脂基复合材料的辐照效应[D]. 王以忠. 国防科学技术大学. 2007
[9]. 熔石英元件光学缺陷激光修复的动力学过程研究[D]. 王开宇. 电子科技大学. 2017
[10]. 激光热弹超声体力源和对应波形的数值研究[D]. 王纪俊. 南京理工大学. 2007
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