飛片參數(shù)與玻璃撞擊損傷特征關(guān)系的研究

魏 強(qiáng),劉浩銳,白 羽,楊桂民,王志浩

(1.天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300350; 2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,北京 100094)

?

飛片參數(shù)與玻璃撞擊損傷特征關(guān)系的研究

魏 強(qiáng)1,劉浩銳1,白 羽2,楊桂民1,王志浩2

(1.天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300350; 2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,北京 100094)

為考察空間碎片對(duì)航天器光學(xué)材料的影響,將光學(xué)材料撞擊損傷與具體撞擊碎片相對(duì)應(yīng)，采用激光驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)進(jìn)行空間碎片地面模擬。設(shè)計(jì)了能形成速度可控的具體撞擊碎片的激光驅(qū)動(dòng)飛片裝置，針對(duì)空間碎片不同速度和形態(tài)，通過改變激光能量和光束直徑獲得具有不同速度和長(zhǎng)徑比的飛片。研究了石英玻璃撞擊損傷特征與飛片速度、長(zhǎng)徑比等參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著激光能量的增加，飛片速度的增加，撞擊坑的損傷面積和坑深表現(xiàn)為先增大后減小；隨著飛片長(zhǎng)徑比的減小，主要撞擊損傷特征逐漸由侵徹成坑轉(zhuǎn)變?yōu)闉R射污染。通過碎片群平均參數(shù)改進(jìn)為具體碎片參數(shù)，提高了地面模擬的有效性，利于高通量空間碎片環(huán)境中材料服役行為評(píng)價(jià)的研究，對(duì)空間碎片地面模擬技術(shù)和撞擊損傷效應(yīng)有一定的參考價(jià)值。

空間碎片； 地面模擬技術(shù)； 光學(xué)材料； 激光驅(qū)動(dòng)飛片； 撞擊損傷； 侵徹成坑； 濺射污染； 飛片速度； 飛片長(zhǎng)徑比

0 引言

光學(xué)系統(tǒng)被稱為航天器的眼睛，是航天器不可缺少的部分。空間光學(xué)系統(tǒng)直接暴露于空間環(huán)境中，承受高真空、熱循環(huán)、冷黑、輻射、污染和空間碎片等多種空間環(huán)境因素作用[1]。國外航天實(shí)踐和大量空間暴露試驗(yàn)表明：空間碎片環(huán)境對(duì)包括光學(xué)材料在內(nèi)的許多材料有不可忽視的影響[2-3]。空間碎片已嚴(yán)重威脅在軌航天器的關(guān)鍵暴露器件，成為影響航天器在軌服役壽命與可靠性的重要空間環(huán)境因素之一。近年來，美國、俄羅斯、歐洲等地和中國的研究者以光學(xué)玻璃、反射鏡等為例研究了空間微小碎片環(huán)境中光學(xué)材料損傷效應(yīng)和機(jī)理，得出了碎片速度、形態(tài)對(duì)撞擊損傷特征的影響規(guī)律[4-9]。碰撞速度小于1.5 km/s 時(shí)，產(chǎn)生的撞擊坑又細(xì)又窄，坑深與速度的4/3 次方成正比；速度為1.5～2.5 km/s時(shí)，坑的形狀和尺寸與粒子及試樣的機(jī)械強(qiáng)度有關(guān)，通常撞擊的粒子發(fā)生變形或碎裂成幾部分；速度超過2.5 km/s 以上的超聲速區(qū)域時(shí)，撞擊坑呈半球狀，坑深與速度的2/3 次方成正比[10-11]。由于受不同空間碎片地面模擬設(shè)備限制，前人關(guān)于碎片撞擊效應(yīng)模擬研究中所采用設(shè)備多為碎片群發(fā)射撞擊，碎片粒子速度與尺寸等的分布范圍均較大，難以將撞擊損傷與具體碎片對(duì)應(yīng)，所得結(jié)果為碎片群平均速度等參數(shù)與隨機(jī)撞擊損傷間的關(guān)系[12]。由于不同參數(shù)的碎片具有不同撞擊效應(yīng)，這將使獲得的撞擊規(guī)律產(chǎn)生偏差。因此，確定碎片速度、形態(tài)等參數(shù)與撞擊損傷特征的聯(lián)系有其重要意義。與其它模擬方法相比，激光驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)具有將撞擊損傷特征與具體碎片粒子參數(shù)相對(duì)應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，適于微米級(jí)碎片撞擊效應(yīng)與機(jī)理的分析評(píng)價(jià)[13]。本文采用激光驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)對(duì)空間微小碎片撞擊光學(xué)材料進(jìn)行了研究，通過材料學(xué)和碰撞動(dòng)力學(xué)分析，將撞擊損傷與碎片粒子相對(duì)應(yīng)，從碎片參數(shù)角度分析邊界撞擊速度和幾何因素兩方面的影響，揭示空間微小碎片對(duì)光學(xué)材料撞擊損傷特征的科學(xué)規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)方法與儀器

1.1 激光驅(qū)動(dòng)飛片裝置

激光驅(qū)動(dòng)飛片裝置主要由Nd：YAG激光器、光學(xué)系統(tǒng)、飛片靶和撞擊靶組成，如圖1所示。激光器輸出波長(zhǎng)1 064 nm，輸出能量300～900 mJ，脈寬7 ns。光學(xué)系統(tǒng)主要包括聚焦鏡及光路調(diào)節(jié)的系列反射鏡。在光學(xué)石英玻璃表面粘貼或沉積金屬鋁膜作為飛片靶，選擇光學(xué)石英玻璃作為撞擊靶。激光器發(fā)射一束高強(qiáng)度激光脈沖透過基底材料入射到鋁薄膜上，致使被照射的膜表面瞬間加熱蒸發(fā)、氣化和電離，產(chǎn)生高溫高壓的等離子體，即在鋁薄膜與基底形成的腔中出現(xiàn)了等離子體產(chǎn)生的高壓沖擊波。在沖擊波作用下鋁薄膜內(nèi)部形成張力，當(dāng)張力超過鋁材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)會(huì)在薄膜上產(chǎn)生裂紋，最終將鋁膜片剪切下，并在高壓沖擊波的驅(qū)動(dòng)下形成了超高速飛片，撞擊到作為撞擊靶的石英玻璃上。

圖1 激光驅(qū)動(dòng)飛片裝置Fig.1 Schematic diagram of laser-driven flyer system

1.2 測(cè)速裝置

圖2 飛片測(cè)速撞擊裝置與示波器Fig.2 Setup of flyer velocity measurement

試驗(yàn)測(cè)速裝置和示波器如圖2所示。試驗(yàn)選用兩個(gè)聚偏二氟乙烯壓電薄膜(PVDF)進(jìn)行測(cè)速，一個(gè)粘貼在石英玻璃基底已沉積鋁薄膜的一側(cè)(PVDF1)，另一個(gè)粘貼在撞擊靶迎接飛片的一側(cè)(PVDF2)。在燒蝕過程中，產(chǎn)生的高壓沖擊波會(huì)同時(shí)傳遞給PVDF1；被剪切下來的飛片經(jīng)過長(zhǎng)度L的加速腔后高速撞擊到靶上，產(chǎn)生的撞擊壓力信號(hào)同時(shí)會(huì)傳遞給PVDF2，PVDF1 和PVDF2 分別將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸送至雙通道示波器，在示波器上先后看到兩個(gè)波峰或波谷，即可從示波器上讀取出飛片的飛出時(shí)間t1和撞擊時(shí)間t2，由v=L/(t2—t1) 估算出飛片的平均速度。

1.3 分析測(cè)試儀器

用Keyence VHX三維體式顯微鏡對(duì)石英玻璃上形成的撞擊坑進(jìn)行三維形貌觀察，測(cè)量撞擊坑的坑徑和坑深。用日立公司產(chǎn) S4800 型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，進(jìn)一步分析撞擊坑的形貌微觀形貌。對(duì)顯微照片，用Image-Pro Plus軟件對(duì)撞擊坑面積進(jìn)行計(jì)算標(biāo)定。

2 飛片速度與撞擊損傷特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)上述測(cè)速原理，本試驗(yàn)中用硅油將厚度為16 μm的鋁箔粘貼在干凈的石英玻璃上。采用聚焦鏡將激光光斑直徑縮小為約0.1 mm，可獲得直徑約100 μm的飛片。用不同激光能量，在真空中高速驅(qū)動(dòng)厚度16 μm的金屬鋁飛片，獲得激光能量與飛片速度間關(guān)系，見表1。隨后在真空環(huán)境中，以不同的速度碎片撞擊石英玻璃靶材，觀察不同速度碎片撞擊靶材的損傷效應(yīng)。

表1 激光能量與飛片速度關(guān)系

用三維體氏顯微鏡對(duì)不同速度的飛片撞擊的光學(xué)玻璃損傷形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：隨著飛片撞擊速度的增大，石英玻璃的撞擊坑先是逐漸增大，但當(dāng)速度為5.25 km/s時(shí)，撞擊坑反而減小。進(jìn)一步，用三維體式顯微鏡對(duì)坑深、坑徑進(jìn)行測(cè)定，并用Image-Pro Plus軟件測(cè)量撞擊坑面積。

不同撞擊速度下的撞擊坑面積和撞擊坑深度(取圖中最大深度)分別如圖4、5所示。由圖4、5可知：撞擊坑的面積和坑深開始都隨撞擊速度增加而增大，但當(dāng)速度為5.25 km/s時(shí)，撞擊坑的面積和坑深反而減小。這主要是因?yàn)殡S著激光能量的增加，一方面飛片獲得的驅(qū)動(dòng)能量增大，另一方面激光對(duì)飛片燒蝕也更嚴(yán)重，使飛片燒蝕分解。因此，雖然飛片速度增加，但由于飛片的分解破碎，最終導(dǎo)致撞擊坑面積與坑深等損傷特征弱化。

圖3 不同速度飛片撞擊玻璃靶材的表面陷坑形貌Fig.3 Zoom-stereo microscope images of target at various impact velocity

圖4 不同撞擊速度下撞擊坑面積Fig.4 Crater area under various impact velocity

圖5 不同撞擊速度下撞擊坑深Fig.5 Crater depth under various impact velocity

撞擊坑損傷特征的SEM觀察結(jié)果(如圖6所示)也給出了進(jìn)一步的佐證。由圖6可知：隨著飛片速度增加，撞擊坑損傷程度先增加后減輕。當(dāng)飛片速度達(dá)到5.25 km/s時(shí)，撞擊坑損傷特征明顯弱化。

3 碎片長(zhǎng)徑比與撞擊損傷特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系

目前地面模擬實(shí)驗(yàn)中多以球形彈丸模擬空間碎片，但實(shí)際的空間碎片形狀各異[14]。基于激光驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)具有撞擊粒子與撞擊坑一一對(duì)應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，本文研究飛片長(zhǎng)徑比對(duì)光學(xué)石英玻璃高速撞擊損傷特征的影響。試驗(yàn)中以石英玻璃為基底，以硅油為介質(zhì)用粘結(jié)法將厚度16 μm的鋁箔粘貼在石英玻璃上，采用納秒激光燒蝕驅(qū)動(dòng)。試驗(yàn)中飛片厚度固定為16 μm，通過光學(xué)系統(tǒng)改變激光束聚焦后激光斑點(diǎn)的大小，從而獲得不同直徑的激光束燒蝕驅(qū)動(dòng)的飛片。直徑分別約50，70，90，110 μm。飛片參數(shù)見表2。

直徑分別為50，70，90，110 μm的4種不同長(zhǎng)徑比的飛片撞擊石英玻璃的損傷形貌如圖7所示。由圖7可知：石英玻璃撞擊損傷特征包括撞擊坑和濺射污染區(qū)[15]。研究發(fā)現(xiàn)，撞擊中心坑與濺射區(qū)域的比例逐漸改變，隨著長(zhǎng)徑比數(shù)值的減小，撞擊損傷中心坑所占比例越來越小。這主要是因?yàn)樽矒暨^程中，飛片撞擊石英玻璃后所形成的沖擊波反射作用于飛片上，當(dāng)飛片長(zhǎng)徑比較大時(shí)反射沖擊波作用面積較小，損傷特征以侵徹成坑為主；當(dāng)飛片長(zhǎng)徑比較小時(shí)，反射沖擊波作用面積較大，易導(dǎo)致飛片碎裂成更小的分散碎片，侵徹成坑能力下降，而形成了較大的濺射污染。這說明片狀空間碎片容易引起撞擊污染，這將可能引起空間光學(xué)載荷產(chǎn)生更明顯的光學(xué)性能降低。同時(shí)可知：球形碎片撞擊損傷中濺射污染區(qū)域較小。因此，對(duì)激光驅(qū)動(dòng)技術(shù)來說，必須對(duì)飛片的長(zhǎng)徑比進(jìn)行限定，才能使激光驅(qū)動(dòng)飛片結(jié)果與球形碎片撞擊結(jié)果具可比性，從而提高地面模擬實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性和有效性。

圖6 光學(xué)玻璃表面陷坑形貌Fig.6 SEM images of craters on glass surface

圖7 不同長(zhǎng)徑比飛片尺寸撞擊靶材的結(jié)果Fig.7 Damage morphologies on quartz glass after flyers impact with different aspect ratio

表2 飛片參數(shù)

4 結(jié)束語

本文基于激光驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)具有將撞擊損傷特征與具體碎片粒子參數(shù)相對(duì)應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，研究了飛片速度、長(zhǎng)徑比等參數(shù)與石英玻璃撞擊損傷特征關(guān)系，得到以下結(jié)論：隨著激光能量的增加，飛片速度的增加，由飛片燒蝕分解導(dǎo)致撞擊坑的損傷面積和坑深表現(xiàn)為先增大后減小；隨著飛片長(zhǎng)徑比的減小，沖擊反射波作用面積增加，飛片撞擊石英玻璃的主要損傷特征逐漸由侵徹成坑轉(zhuǎn)變?yōu)闉R射污染。本文研究實(shí)現(xiàn)了由碎片群平均參數(shù)向具體碎片參數(shù)的改進(jìn)，提高了地面模擬試驗(yàn)的重復(fù)性和有效性。同時(shí)表明，激光驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)不僅可成為一種模擬太空環(huán)境的有效實(shí)驗(yàn)手段，而且相對(duì)其他地面模擬方式，更適于高通量空間微小碎片撞擊實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)研究，利于空間新材料研發(fā)過程中實(shí)現(xiàn)服役行為的快速低成本評(píng)價(jià)。

[1] 魏強(qiáng), 何世禹, 劉海, 等. 太空反射鏡空間環(huán)境效應(yīng)評(píng)述[J]. 光學(xué)技術(shù), 2004, 30(4): 413-420.

[2] GROSSMAN E, GOUZMAN I, VERKER R. Debris/micrometeoroid impacts and sysnergistic effects on spacecraft materials[J]. MRS Bulletin, 2010, 35(1): 41-47.

[3] VERKER R, ELIAZ N, GOUZMAN I, et al. The effect of simulated hypervelocity space debris on polymers[J]. Acta Materialia, 2004, 52: 5539-5549.

[4] CANNON R E, LASZLO T S, LEIGH C H. Effect of microparticle impact on the optical properties of metals[J]. Space Aeronaut, 1962: 36.

[5] CHOBOTOV V A, JENKIN A B. Analysis of the micrometeoroid and debris hazard posed to an orbiting parabolic mirror[J]. Space Debris, 2002(2): 9-40.

[6] SEMKIN N D, KALAEV M P. Degradation of optical glass under exposure to micrometeoroids and space debris[J]. Instruments and Experimental Techniques, 2011, 54(1): 126-130.

[7] SCHAFER F K, GEYER T, SCHNEIDER E E, et al. Degradation and destruction of optical surface by hypervelocity impact[J]. International Journal of Impact Engineering, 2001, 26(1-10): 683-698.

[8] 白羽, 姜利祥. 空間微小碎片對(duì)光學(xué)玻璃的污染效應(yīng)研究[J]. 航天器環(huán)境工程, 2006, 23(5): 109-112.

[9] WATTS A J, ATKINSON D R, COOMBS C R, et al. Optical scatter due to impact effects[J]. Proc SPIE, 1992, 1761: 72-81.

[10] BERTHOUD L, MANDEVILLE J C. In proceedings first european conference on space debris[M]. Darmstadt: ESOC (European Space Operations Centre), 1993.

[11] CHARTERS A C. High speed impact[J]. Scientific American, 1960, 203: 128-140.

[12] ROBERT N, SHRINE G. Laboratory investigation of oblique hypervelocity impacts with relevance to in situ meteoroid and space debris detectors[D]. Pasadena: California Institute of Technology, 1999.

[13] GREENAWAY M W, PROUD W G, FIELD J E, et al. A laser-accelerated flyer system[J]. International Journal of Impact Engineering, 2003, 29: 317-321.

[14] MCKNIGHT D S, JOHNSON N L, FUDGE M L, et al. Satellite orbital debris characterization impact test (SOCIT) series data collection report[R]. Kaman Sciences Corp, Contract NAS, 9-19215, 1995.

[15] SONG L H, WEI Q, BAI Y. Impact effects on fused quartz glass by ground simulating hypervelocity space debris[J]. Science China-Technological Sciences, 2013, 56(3): 724-731.

Study on Relationship between Flyer Parameters and Damage Characteristics of Glass

WEI Qiang1, LIU Hao-rui1, BAI Yu2, YANG Gui-min1, WANG Zhi-hao2

(1. School of Materials Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300350, China; 2. Beijing Institute of Spacecrafts Environment Engineering, Beijing 100094, China)

In order to investigate the influence of space debris on spacecraft optical materials and realize one-to-one match between the impact damage of optical materials and the specific impact debris, the laser driven flyer technology was used for ground simulation of space debris. The laser-driven flyer system which could form the certain flyer with the speed controlled was designed. According to the different velocity and shape of space debris, the flyers with different speed and aspect ratio were obtained by adjusting the laser energy and the beam diameter. The corresponding relationship between the impact damage characteristics of quartz glass and the flyer parameters including velocity and aspect ratio was studied in this paper. The results showed that with increasing laser energy, the velocity of flyer increased, which resulted in an increase initially and decrease afterwards of the damage area and depth of the impact crater. With aspect ratio decrease, the primary characteristics of impact damage had been turned from penetration pit into sputtering pollution. The improvement of debris parameters from mean value to specific value increases the effectiveness of ground simulation, which is beneficial to the high-throughput analysis of materials service behavior under space debris. The research result has reference value and guidance significance to the space debris ground simulation technology and the impact damage effect.

Space debris; Ground simulation technology; Optical materials; Laser driven flyer; Impact damage; Penetration pit; Sputtering pollution; Velocity of flyer; Aspect ratio of flyer

1006-1630(2016)05-0118-06

2016-08-24；

2016-09-19

國家自然科學(xué)基金資助(41274191)

魏 強(qiáng)(1978—)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榭臻g材料環(huán)境行為評(píng)價(jià)與表面工程等。

V524.3

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2016.05.019