激光与拉预应力作用下复合材料试件的破坏研究分析

碳纤维/环氧树脂复合材料因其具有比强度高、比模量高、成型工艺简单等优点而被广泛应用于航空航天、机械制造等领域，碳纤维复合材料的激光加工及激光破坏性能研究得到了越来越多的重视。由于复合材料在激光辐照下产生局部加热、熔融、气化甚至烧蚀等现象，其响应机理非常复杂，目前对于这方面的研究还是以试验观察为主。

复合材料层合结构与各向同性均质结构相比，其热传导分析更加复杂。对复合材料与高能激光的耦合规律与现象进行的试验研究，确定了树脂基复合材料的损伤形式，针对激光辐照下复合材料力学性能的试验研究也得到了广泛开展。文献[4]从最基础的材料试件尺寸对于各向异性复合材料性能的影响进行了研究，并得到结论，所有试验中横向裂纹和边缘脱层是引起材料早期失效的主要原因。

本文主要从激光功率密度和预应力两方面对于复合材料性能的影响进行试验研究，对比激光辐照试件的破坏时间来分析激光和预应力对于材料力学性能的影响，以使该复合材料在军事及民用激光防护中更好的得到应用，并使用高速摄像方法，观测其烧蚀过程来研究激光作用于复合材料的烧蚀机理，研究激光对于力学性能的影响。同时，使用有限元方法对预应力与激光辐照共同作用于复合材料时的破坏时间及激光辐照平板后的热影响区域进行了数值模拟。

T300/AG80材料对1064nm激光的吸收率非常高，可以达到90%左右，使用高速摄像机采集激光瞬间辐照复合材料的现象，并通过对形成光斑及附近物理现象的分析，了解其烧蚀机理。对于纵向试件，激光器发出激光平均功率密度为400W/ cm2，试件受拉伸预应力为567MPa，观测现象如图所示。 

激光辐照开始瞬间试件表面出现亮斑，然后出现很明显的表面褶皱现象（图1（a）），表面褶皱会象水波一般由激光光斑中心向边缘运动，接着出现烟雾，波纹和烟雾都是起源于材料表层。激光辐照区表面层附近的聚合物在激光热源作用下发生了软化、熔融并出现表层热解，持续的激光辐照使表层能量由光斑中心向四周运动而出现热波现象。热解形成不饱和碳氢分子经过聚合、脱氢，形成了碳或者炭黑，而烟雾是热分解产物产生的高分子量产物遇冷空气时凝聚形成焦油微滴，弥散到空气中形成烟雾[11]。到0.217s的时候试件中心附近出现红斑(图1（b）)，随后可以看到烟雾和一部分熔融态物质被从中心附近吹出，然后试件表面完全燃烧。材料中含有可燃碳纤维等有机物质，受到高温影响后形成热解气体喷射到前方空气中，由于激光辐照材料时激光是通过聚焦后离焦发散的，所以在受辐照试件前面，激光功率密度更大，很容易点燃飘浮的气体（图1(c))，引起完全燃烧。激光辐照3.4s后试件破坏，辐照停止后，试件断裂处呈毛刷状。

激光辐照复合材料时，激光热能引起的升温带来的热烧蚀主要包括表面烧蚀和体积烧蚀，表面烧蚀（又称为线烧蚀）是发生在结构表面的烧蚀，试验中辐照时间0. 217s以前的烧蚀形式主要为表面烧蚀，包括材料表面与环境气流的热化学反应、材料熔融、升华及机械剥蚀等。此时热能主要集中在表面，尚未充分扩散至其余区域，表层环氧树脂基体完全破坏，热化反应使其侧基和主链断裂,裂解产生的有机物小分子挥发到空气中并加强了燃烧，纤维由于热解温度较高没出现明显损伤，由图1(b)可以清楚看到根根完整排列的碳纤维丝。随着时间的推移，材料表层破坏且温度向板内传导扩散，结构内部出现热化学反应，包括热解反应和热氧化反应，从而导致体积烧蚀。结构内部温度上升环氧树脂基体裂解，基体出现裂解炭化，碳纤维也会部分氧化甚至汽化而引起材料力学性能的快速下降，直至试件完全破坏。

对拉伸预应力下的试件进行激光辐照，通过高速摄像机记录试件破坏时间。由结果可以看出，激光功率密度、预应力大小与试件破坏时间有直接关系。对于纵向铺层试件进行激光辐照，由拉伸条件下破坏时间统计结果（图2（a））可以看出，随着激光功率密度加大，各预应力下的试件破坏时间呈下降趋势。而对于某一具体的预应力，随着激光功率密度增强，试件破坏时间急剧下降，当激光功率密度达到400w/cm2时，下降趋势趋于平缓，而且是预应力越大转折后的曲线越平缓，预应力达到667 MPa时，曲线已基本成平线。这是因为当激光功率达到一定程度后，试件表面及内部的热传导响应却没有同步进行，影响了热残余应力继续增大。而对于两端受到较大预应力的试件，试件内部应力已接近于破坏极限，受到激光热能影响后很容易破坏。对于预应力与激光功率密度，当其中一项为最大值另一项不限制时，破坏时间分布相对比较集中，这说明预应力与激光功率密度对于破坏时间影响都很明显。由图可以看出，试验数据点值与均值及破坏时间变化曲线偏差并不大，这说明材料纵向试件在拉伸预应力状态下的性能变化趋势比较稳定。

对于横向铺层的试件进行激光辐照、拉伸条件下破坏统计结果如图2(b)所示。可以看出，与纵向试件相比，试件破坏时间下降却并非均态，有一定的不稳定性。对于某一具体的预应力，随着激光功率密度增强，试件破坏时间下降趋势与纵向试件基本一致。图2（a）与图2（b）对比可知，纵向试件不仅力学性能明显优于横向试件，而且在受拉状态下的抗激光性也优良许多。

数值分析使用ABAQUS有限元分析软件模拟激光辐照对复合材料试件的温度及应力场的影响。激光光斑半径为10mm时，激光功率密度为130 w/cm2，以平面正交各向异性的碳纤维环氧树脂板为研究对象，选用S8RT单元分析复合材料的三维辐照温度场。数值模拟以试验所得破坏强度为失效基准来判断试件的破坏时间，既当预应力与激光辐照共同作用的应力达到破坏应力时，既认为试件破坏。复合材料性能参数随温度变化如表1所示，其中纵横向有效弹性模量和破坏强与常温下的测量结果有微小差别。使用115 ºC下试验测得的热传导系数[12]，纵向和横向分别为9.5和 0.95 W/(m·C)，沿板厚方向的热传导系数与横向相近，故取相同值，材料其余基本参数与前面相一致。

在高温试验时，由于树脂基体的分解温度较低，虽然碳纤维未受到严重损伤，但是复合材料的弹性模量和拉伸强度显著降低，温度高于250oC时横向试件迅速破坏而无法测得有效弹性模量，这些都在表1中反映出来。进行数值建模时，参数超过温度设定部分，以所设定最高温度参数为准。

图3（a）为激光功率密度为200 w/cm2，激光光斑半径为10mm，辐照4s，得到的数值温度分布云图；图3（b）为相同条件下复合材料板激光辐照形成光斑和烧蚀区的图像。可以观察到，数值模拟的温度最大值达615.3ºC，温度分布呈现为椭圆形，与试验照片形状一致，尺寸也相差很小。椭圆是由于所使用的复合材料板纵横方向的热传导率相差较大造成的，材料试件的纵向热传导率为9.5W/(m·C)，而横向的仅为0.95W/(m·C)。这说明对于激光辐照碳纤维复合材料所形成的热影响区的形状与纤维编织的走向有直接关系。数值分析结果与试验结果基本吻合，说明所建数值模型合理，可以以此为基础进行更深一步的数值理论计算。

在温度分析基础上，对激光辐照预拉时间的破坏规律进行数值模拟分析。试件材料性能与尺寸和实验用相同，试件一端固定，另一端施加均匀分布的轴向拉力，力的大小与实验相同。激光光斑垂直试件平面辐照，光斑中心位于试件中心位置。有限元分析数值模型共划分了1212个单元，共3863个节点，单元边长尺寸最大不大于0.02mm。材料初始温度为20 ºC，分析步每步温差不超过30 ºC。数值模拟计算得到材料纵横向试件破坏时间数值模拟值和试验值拟合曲线对比如图4所示。

由图4（a）和图4（b）可以看出，在相同激光功率密度辐照下，预应力大小与试件破坏时间密切联系，预应力越大破坏时间越短，与试验结果相符，试件破坏时间的试验值和数值模拟值基本吻合，说明所建模型比较合理。对比图4（a）与图4（b）中数值模拟拟合曲线可以看出，纵横向试件在激光功率密度相同时，预应力大小是试件破坏时间的主要影响因素。与试验值曲线相比，数值拟合曲线略有弯曲，是因为试验时随着温度上升，复合材料对于激光的吸收率会下降，试件没有如数值模拟的一样将激光能量完全吸收，破坏时间在预应力比较小时数值与试验拟合曲线有误差，也是由于这个原因引起的。当激光作用时间比较长时，试件表面和内部结构的温度很高，不仅加速了激光能量损失和复合换热（热对流和热辐射），而且会有大量的树脂气化和纤维燃烧而带走大量热能，因此使得试件并非完全吸收激光能量，所以试验破坏时间会比数值计算值略长一些。

结论

通过实验研究碳纤维环氧树脂复合材料试件在拉伸预应力及不同功率密度连续激光辐照下试验现象及破坏时间,结合辐照区温度及应力场有限元数值计算,可以得到以下几点结论：（1）存在预应力时，试件受激光辐照很容易破坏，且激光功率密度越大破坏时间越短。相同激光功率密度辐照下，试件破坏时间随预应力增加而缩短，当预应力较小时，试件破坏时间主要取决于激光功率密度；而当预应力较大时，试件破坏时间主要取决于预应力，激光功率密度变化引起的破坏时间变化相对较小。（2）纵向试件的承载能力远大于横向试件，在相同预应力百分比（实际应力／破坏应力）、相同激光功率密度辐照下，纵向试件破坏时间大于横向试件。（3）数值分析结果与试验结果基本吻合，说明试验数据和分析模型可作为理论计算和工程设计的参考。