文摘

laser-driven飞行板是一个重要的加载技术在高能物理、冲击波物理、易爆启动应用程序。如何生成一个高速和完整的飞行板通过使用激光对激光驱动的问题。在这项研究中,多层飞行板(MFPs)的铝/铝₂O₃/ Al和TiO₂/铝/铝₂O₃/ Al与可调性能设计和制造了磁控溅射和扫描电子显微镜(SEM)分析,激光反射谱仪和差热分析(DTA)。结构和材料的影响的输出性能MFPs分析光子多普勒测速技术(刚才)和超高速视频。MFPs形态学结果表明,结构的统一和明确的界限的层。MFP速度控制在4.0 - -6.0 km / s通过调整膜厚度,结构和铝热剂材料43.1 J /厘米²激光烧蚀。其中,精力充沛的传单与铝热剂烧蚀层的最终速度最高5.38公里/ s TiO的预存储能量₂/。通过适当增加铝的厚度₂O₃从0.4μ米至0.8μm,完整的飞行的飞行板可以实现3.72毫米。此外,TiO₂电影/铝铝热剂反应放热的特点,激光反射率(72.13%)低于铝层(80.55%),而精力充沛的传单盘子的速度增强效应来解释。这项工作提供了温和的策略来提高MFPs的输出性能,这可能促进激光驱动技术的实际应用。

1。介绍

Laser-driven传单板是一个重要的动态高压加载方法,主要原理是利用高功率脉冲激光烧蚀膜形成等离子体。高温和高压等离子体膨胀开剩下的电影在高速飞行,从而实现输出工作通过高速飞行板击中目标。Laser-driven传单板Krehl提出的最初从美国桑迪亚国家实验室1]。它是一种有效的技术获取飞行板与高速度和高冲击压力和低成本的特点和简单的安装2- - - - - -6]。在1980年代,佩斯利实现细粒度的影响开始接下来的首次使用laser-driven摩天观景轮板,开始启动的影响不敏感炸药使用激光作为能源(7]。为了实现小型化和工程应用的起始laser-driven飞行板的影响,许多研究人员进行了大量的研究从光纤传输的脉冲激光能量,制备高效传单盘子,和细化引爆剂(8- - - - - -15]。鲍登等人开发了一个laser-driven传单启动系统关闭的情况下使用光纤传输激光光路(16]。陈等人用磁控溅射制备多层传单板块(MFPs)₂O₃隔热层,有效地减少了起始阈值的HNS-IV laser-driven传单板(17,18]。吴等人使用的铝热剂电影作为烧蚀层结构MFPs和飞行速度提高了约10%19,20.]。其中,改善的输出表现plasma-driven传单板由laser-ablated电影一直是一个研究热点,和更高的laser-driven飞行速度和更完整的飞行形态是由研究人员追求的目标。

以前,精力充沛的传单板块准备了不同thermite-ablative层(21,22),飞行板具有优良的性能,但厚度和结构的影响飞行板的性能进行了探讨较少,尤其是与nonenergetic传单板。这项研究集中在改变层的厚度(烧蚀层/绝缘层/传单层),与先前的研究相比,只有改变了材料但固定每一层的厚度。因此,通过调整消融和隔热层的厚度从0.4μ米至0.8μ从2.6 m和传单层的厚度μ米至3.2μ米,三MFPs铝/铝₂O₃/ Al (I),铝/铝₂O₃/ Al (II)和TiO₂/铝/铝₂O₃/ Al (III)准备。飞行的速度和形态学车牌特征的光子多普勒测速技术(刚才)系统和超高速视频。传单的特点与不同的膜结构和厚度进行评估通过观察和分析碎片和分解(通过增加过程的飞行速度和飞行形态的变化过程)等离子体的作用下侵蚀,这在以前的研究中没有注意laser-driven传单。此外,热分析和反射分析显示精力充沛的能量增强效应,利用激光电影。通过调整每一层的厚度的传单电影,膜层性能的影响的传单,提供激光飞行板的设计方案。MFPs的加速过程和机理,分析了不同的结构由使用激光在深度,提供支持的设计和应用MFPs高输出性能。

2。实验部分

2.1。层压板的准备

nonenergetic Al /₂O₃/ Al(烧蚀层/绝缘层/传单层)和高能TiO₂/铝/铝₂O₃/ Al(烧蚀层/烧蚀层/绝缘层/传单层)分层沉积在K9基片(Φ5毫米×2毫米)磁控溅射。油和灰尘等杂质在K9玻璃表面清洁用酒精,丙酮和去离子水分别。然后,打扫K9玻璃放置在涂布机的真空室,和MFPs不同薄膜厚度准确地准备的射频(RF)磁控溅射技术。Al目标磁盘(Φ50毫米×4毫米,纯度> 99.999%),TiO₂目标磁盘(Φ50毫米×4毫米,纯度> 99.99%),和艾尔₂O₃目标磁盘(Φ50毫米×4毫米,纯度> 99.99%)买来Zhongnuo Xincai技术公司和用于沉淀,TiO₂,艾尔。₂O₃电影。权力交付给放电是229 W (TiO₂目标),234 W (Al₂O₃目标),204 W(目标),分别。压力在真空室抽了3×10以下⁻³爸爸之前沉积。然后,ultrahigh-purity氩(99.999%)被传递到室为工作气体通量的30 sccm工作压力保持在0.4 Pa。多层薄膜被旋转交替沉积在K9玻璃基片托盘。铝/铝的形态₂O₃/ Al和TiO₂/铝/铝₂O₃/ Al分层使用扫描电子显微镜(SEM)进行了分析。激光反射率和放热的特点是使用激光反射谱仪和示差热分析(DTA、TA仪器SDT600),分别。

2.2。驱动测试MFPs

脉冲激光(6.5 ns 1064海里)系统(主要包括激光系统中,两个反光镜,和镜头焦距的20厘米)进行测试的驱动特性MFPs,见图1。飞行速度曲线和飞行过程照片是刚才系统特征和一个超高速摄像机(专业成像,SIMD16),分别。固体脉冲q开关Nd: YAG(1064海里,6.5 ns)输出一个高斯激光脉冲通过凸透镜的大气环境。在实验中,高斯短脉冲激光产生,和一个凸透镜聚焦光束,然后,MFPs表面辐照。同时,刚才的速度信号记录系统和驱动过程被记录的同步使用超高速相机的曝光时间5 ns。六个测试执行与每个激光能量,然后平均值作为激光能量激发MFPs。

3所示。结果与讨论

3.1。层的结构和形态分析MFPs

SEM图像铝/铝的剖视图₂O₃/ Al和TiO₂/铝/铝₂O₃/ Al得到理解的内部结构和组件MFPs和显示等轴的块增长紧密地绑定分层结构如图2。艾尔和密度₂O₃联系密切,并划分清楚。铝/铝的厚度₂O₃/ Al (I)在每一层为0.8μ米,0.8μ米艾尔₂O₃和3.2μ米艾尔分别;因此,一个重要的厚度和形态差异三层从图中可以看到2(一个)。铝/铝的扫描电镜照片₂O₃0.4 / Al (II)μ米,0.4μ米艾尔₂O₃和2.6μ米艾尔在对照组也表现出明显的边界和致密层结构。此外,扫描电镜图像的能量TiO传单盘子₂/铝/铝₂O₃0.2 / Al (III)μm TiO₂,0.2μ米,0.4μ米艾尔₂O₃和2.6μ米艾尔也显示良好的密实度和清晰的分层结构。SEM分析结果表明,内部结构和组成的MFPs一样的预期,表明我们准备好的样品可以作为能量转换微器件与调整性能。

3.2。能量转换MFPs的性能

的动态过程laser-driven MFP加速度记录同时刚才系统和超高速视频。如数据所示3和4,time-velocity time-displacement关系的三种类型的飞行板通过刚才获得的系统,在不同的加速度和速度特性曲线观察阶段。速度曲线变化的加速度的传单板块显示飞行板可分为三个阶段:加速阶段,缓慢的加速阶段和减速阶段。典型的飞行的速度曲线如图所示3,激动的激光能量为43.1 J /厘米²。加速阶段开始飞行板时驱动的等离子体和结束时的速度增加到大约四分之三的最终速度。加速阶段的特点是快速上升的速度飞行板块和慢慢减少加速度,持续时间约20 ns。结束时的加速阶段,传单进入缓慢加速阶段。飞行速度的上升趋势明显放缓,和加速度迅速下降到零。缓慢的加速阶段持续了约三倍,只要加速阶段,当结束飞行板达到最大速度(最终速度)。最后,飞行板进入减速阶段,其速度与时间的流逝慢慢减少。应该指出,在铝/铝的缓慢加速阶段₂O₃/ Al (II)和TiO₂/铝/铝₂O₃/ Al (III),飞行速度分岔现象的发生,相关的材料和结构传单盘子。

图4显示了三种类型的飞行的速度曲线板。可以看到,飞行板加速过程的三个阶段是清晰可见。为加速阶段,铝/铝的速度₂O₃/ Al (I),铝/铝₂O₃/ Al (II)和TiO₂/铝/铝₂O₃/ Al (III)从0增加到3500 m / s内26 ns, 0到4100 m / s在20 ns,和0在24 ns - 4400 m / s,分别是由于高压冲击波产生的强烈限制扩张的等离子体羽流在初始时刻飞行板剪掉。形成的激波等离子体羽流的快速扩张在Al传单层来回传播,加速飞行层,使飞行板上升的速度非常迅速。此时,等离子体冲破了束缚的Al传单层从监禁状态,把传单桶板迅速加快。然而,飞行板约55μ46米,μm, 58μm,分别在这个阶段,占12.7%,14.4%,20.7%的位移对应的最大速度。从速度曲线和飞行距离,可以得出结论,精力充沛的速度飞行板增加更显著加速阶段。速度缓慢增加桶时,飞行过程中飞行板进入第二阶段:缓慢加速阶段。这时,传单的加速度板迅速减少,减少飞行的速度增量板。然而,由于高速飞行的板块和长途飞行持续时间,飞行板有一个大的位移在这个阶段。在这个阶段,铝/铝的最大速度₂O₃/ Al(我)达到4201.0米/秒(432.7μ米的飞行距离),而铝/铝的最大速度₂O₃/ Al (II)分裂后4609.8米/秒(257.9μ飞行距离)和4988.1米/秒(320.0μ米的飞行距离),TiO的最大速度₂/铝/铝₂O₃/ Al (III)分裂后5182.2米/秒(274.6μ飞行距离)和5386.7米/秒(280.5μ分别飞行距离)。

它可以推断出从铝/铝的速度变化曲线₂O₃/ Al (II)和TiO₂/铝/铝₂O₃/ Al (III)的缓慢加速阶段飞行板层发生分裂,如图3 (b),3 (c),4 (b)没有出现在加速阶段。随着时间的流逝,飞鸟飞慢加速阶段不断侵蚀的高温高压等离子体羽流和冲击波。由于薄₂O₃绝缘厚度的摩天观景轮板,无法有效地隔离的震惊和烧蚀等离子体羽流。因此,破损现象出现在传单层的弱点,和速度分化发生在缓慢的加速阶段,速度曲线所示。因此,厚₂O₃隔热层可以防止飞行板断裂的震惊和消融下高温和高压等离子体。在缓慢的加速阶段,飞行速度的缓慢增长的原因是,冲击波的能量用于支持等离子体羽变得更少。飞行板完全剪切,等离子体羽失去了强有力的约束,导致等离子体羽迅速扩张。快速扩张的羽流等离子体的压力降低,导致减少的压力把传单板。因此,获得的能量冲击波的传单层和传单上的激波的加速效果降低,这是显示为减速的加速度曲线。

飞行板达到最大速度时,飞行的飞行板从第二阶段向第三阶段:减速阶段。铝/铝₂O₃/ Al (I)飞行板的速度飞行板在这个阶段呈现缓慢下降趋势,持续了很长一段时间,达到约776 ns,但飞行板的速度仍然保持在一个较高的水平。因此,传单板块的总飞行距离达到3.72毫米。至于铝/铝的传单板块₂O₃/ Al (II)和TiO₂/铝/铝₂O₃/ Al (III),两种类型的飞行的速度进化曲线板在减速阶段变得更短,因为飞行盘子破碎的缓慢加速阶段。因此,铝/铝的位移₂O₃/ Al (II)和TiO₂/铝/铝₂O₃/ Al (III)仅达到817.2μm和984.9μm,分别。此外,通过减少MFPs的厚度,飞行的速度板也有效地提高,这主要是由于减少传单板的质量。其中,TiO₂/ Al电影的烧蚀层MFPs最终速度最高,这是由于增加的热释放和激光的吸收铝热剂系统。也发现,传单的足够的保温层厚度板能有效提高飞行板的完整性,这样飞行板仍然可以保持不变,当飞行很长一段距离。

为了更直观地观察形态学变化的飞行板在飞行过程中,使用超高速摄影拍摄MFPs的三种类型的飞行过程,结果如图所示5。从图可以看出,铝/₂O₃/ Al(我)保持一个相对完整的形态下等离子体驱动700 ns内,这是由于其厚₂O₃隔热层,能有效地隔离高温和高压等离子体烧蚀的影响,而铝/铝₂O₃/ Al (II)和TiO₂/铝/铝₂O₃/ Al (III)破碎和分离在100纳秒激光等离子体烧蚀的影响。这些特征是一致的time-velocity曲线三种MFPs。铝/铝₂O₃/ Al(我)在激光驱动过程中保持一个相对完整的外观,因此获得time-velocity曲线相对完整。然而,铝/铝的time-velocity曲线₂O₃/ Al (II)和TiO₂/铝/铝₂O₃/ Al (III)显示分岔现象,持续时间也较短。这些结果表明,0.4μ米艾尔₂O₃绝缘层不能保证飞行板的完整性,因此保温层的设计应该与43.1 J /厘米厚²。

3.3。探索TiO的热解机理₂/铝

基于TiO MFPs₂/铝铝热剂电影最终速度最高,这可能与激光吸收和铝热剂的放热反应的电影。为了验证TiO的影响₂/铝铝热剂电影MFPs激光转换效率,激光反射率进行了测试。图6显示了艾尔和TiO的激光反射率₂/ Al电影。从图可以看出,激光的反射率Al电影在90%至80之间,而TiO的₂/ Al相对较低,在70年和80%之间。在波长1064纳米的激光的照射下,激光的反射率Al电影是80.55%,和TiO的₂/ Al是72.13%。TiO的吸收率₂/ Al电影的波长1064纳米的激光高于电影,所以它可以推断出,激光能量被用来作为消融。

示差热分析(DTA)仪器被用来描述TiO的放热行为₂在不同的加热率/ Al烧蚀层(从5到20°C /分钟)为了获得的能量释放规律热刺激下的电影。热分析实验研究TiO的放热₂/铝层在N2流量与温度从30到900°C。从图可以看出7TiO的放热反应₂/ Al电影300至800°C被分为两个阶段(22]。TiO的非凡的放热峰₂/ Al分别为653.19,674.00,692.95,和702.43°C加热率从5到20°C /分钟,分别。较小的放热峰值显示为345.64,354.73,384.85,和393.14°C,对应于加热率从5到20°C /分钟,分别。根据热释放曲线,高温的热释放部分大于低温的部分。升温速率降低,放热反应的温度和放热峰值减少。基辛格的方法是利用估计的活化能(Ea) TiO的两个放热峰₂/ Al电影[22,23]。第一个放热峰的活化能是估计达到23.81焦每摩尔,而活化能达到93.70焦每摩尔对于第二个放热峰,这是远远高于第一个放热峰。加热率下降,TiO的初始反应温度₂/ Al电影减少,这符合反应过程的变化曲线,如图8。第一个放热峰温度范围的30%转换为365 - 378°C,和第二个放热峰的30%转换为660 - 695°C。

第一个放热反应发生在300 - 450°C的范围Al融化之前,在这段时间,铝热的电影释放更少的热量。结果表明,固相固相扩散反应是最有可能发生在艾尔和TiO之间的界面层₂,如图9的降低,这是由于艾尔和TiO之间扩散距离₂层由磁控溅射和艾尔₂O₃阻挡层之间形成膜层薄或有缺陷的。固相固相的反应逐渐形成一个相对完整的基地₂O₃膜层之间的阻挡层,防止TiO和艾尔₂从进一步的反应。第二个放热峰值发生在Al融化后(Al电影的熔点是645°C),这是一个固液反应液体和固体TiO之间₂。不同于TiO的反应₂/铝层在第一阶段,一个相对完整和厚₂O₃艾尔和TiO之间的阻挡层形成₂。随着温度的上升,融化的铝可以部分打破₂O₃层和流出,导致TiO的反应₂。它可以推断出,第二个放热峰为主要放热反应的结果全部融化艾尔和TiO之间的反应₂。

两个放热峰的激活能量与固相固相温度和固液的化学反应在两个阶段,分别对应两个反应的难度。第一个300°C和450°C之间的固相固相的反应是相对容易发生,而第二个放热反应要求熔铝突破₂O₃阻挡层;因此,两种反应机制已经TiO的猜测₂/ Al电影[20.,24- - - - - -27]。固相固相的反应是浓缩的自由分子氧反应过程方程(1),在这种自由氧首先与铝反应,然后生产₂O₃屏障的接口。固液反应气体反应过程状态方程(2),熔融铝违反了₂O₃阻挡层与氧分子分解反应的氧化剂。

一般来说,TiO的能量释放₂/ Al电影热刺激下导致系统的产出能力的提高。因此,结合的速度飞行板的结果,可以发现,使用激光来刺激一个铝热剂反应还可以提高等离子体的能量,从而提高飞行的输出能力。此外,放热峰的峰值温度和放热,提高加热速度倾向于增加。第二个放热的铝热剂电影高于第一个放热反应。

4所示。讨论

是预存储的能量的烧蚀层MFPs通过铝热的电影。当激光兴奋MFPs,存储能量将被用作一个等离子体源的扩张和工作,从而增加总能量MFPs [19,28- - - - - -30.]。此外,铝热的电影的引入波长1064纳米的激光的反射率降低,这是有利于激光烧蚀层膜吸收更多的能量,以提高激光能量的利用效率。然而,由于影响等离子体的高温和高压,薄绝缘层容易破碎,这可能导致拒绝MFPs的输出性能。的MFPs铝热的电影可以达到的最高速度,但在很短的时间内,飞行板坏了,无法长途飞行。因此,增加隔热层的厚度有助于改善MFP的传单板的完整性设计。例如,TiO₂/铝/铝₂O₃/ Al (III),厚度0.4μ米艾尔₂O₃确保一个完整的65年μ在不到25米(ns) 43.1 J /厘米²激光,而0.8的绝缘层μ米艾尔₂O₃铝/铝的完整性保护₂O₃整个飞行/ Al(我)。如果铝的厚度₂O₃隔热层增加,传单的完整性将得到改善。因此,结合特定的服务环境,适当的调整每一层的结构和材料可以提高输出能力,同时保证飞行板的完整性。

5。结论

在这项研究中,nonenergetic Al /₂O₃TiO / Al和活力₂/铝/铝₂O₃/ Al MFPs由磁控溅射,制服和紧凑的电影都是没有缺陷。光子多普勒速度系统和超高速摄影被用来描述飞行板的飞行特性。飞行速度曲线、位移曲线,飞行图像和其他信息被用来分析飞行板的输出性能。结果表明,laser-driven飞行板的加速过程可分为三个阶段:加速阶段,缓慢加速阶段和减速阶段。足够的氧化层厚度的铝/₂O₃/ Al(我)可以有效地保护飞行板的完整性,但是飞行速度降低到4201.0 m / s。当薄膜厚度降低,铝/铝的速度₂O₃/ Al (II)和TiO₂/铝/铝₂O₃/ Al (III)增加到4988.1米/秒和5386.7 m / s,分别,但他们两个都在缓慢的加速阶段。此外,激光反射率较低和反应放热的铝热剂膜改善了最后一次飞行速度的能量飞行板,它可以促进激光驱动技术的实际点火和启动应用程序。

数据可用性

的数据支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了培养工程创新和发展的基础制定(PY20210024)和ICM的主题项目(sxk - 2021 - 19)。作者要感谢给汉和孟拧的建设性建议。