铝合金薄膜的激光烧蚀特性及其驱动效应研究

The initiation of explosives by laser-driven flyer has the advantages of anti-electromagnetic interference, quick response and high time controlling precision which can improve the safety and operational effectiveness of weapon system. At present, low energy conversion efficiency of laser energy into flyer kinetic energy restricts the engineering application of this technology. The ablation layer converts the laser energy into the plasma potential energy and its material properties directly affect the energy conversion efficiency. Compared to the pure Al ablation layer, the aluminum alloy is expected to greatly improve the energy conversion efficiency due to adjustable composition and controllable physical properties. In this study, XRD, EDX, spectrophotometer, shadowgraph, time-resolved spectrometer and PDV will be used to investigate the influence of alloy compositions on its physical properties and flyer kinetic energy. These results will reveal the relationship between the material parameters of ablation layer and driving performance, obtain the precise performance controlling strategy of the aluminum alloy, and provide guidance for obtaining flyer target with high energy conversion efficiency.

激光驱动飞片起爆技术具有抗电磁干扰、响应迅速、时间控制精度高等优点，可提高武器系统的安全性和作战效能。当前，激光能量转换为飞片动能的效率低是制约该技术工程化应用的瓶颈，亟待突破。烧蚀层将激光能量转化为驱动飞片运动的等离子体势能，是能量转换的重要载体，其材料性质直接影响换能效率。相比于传统的纯铝烧蚀层，铝合金具有组分和配比可调、物性参数可控的特点，有望大幅提升换能效率。本项目以铝合金为研究对象，利用XRD、EDX、分光光度计、激光导热仪等获得合金组分配比对其物性参数的影响规律，并采用阴影成像、时间分辨光谱、光子多普勒测速等研究合金材料在激光加载下的烧蚀特性及驱动效应，综合揭示烧蚀层材料物性参数与其驱动效能之间的关系。本项目将掌握性能可控的铝合金制备技术，为获得具有更高换能效率的烧蚀层材料的设计提供有力支撑，对激光驱动飞片起爆技术的工程化具有积极的意义。

本项目主要针对激光驱动飞片靶中影响烧蚀层材料驱动性能的关键物性参数这一关键科学问题展开研究。以铝镁合金薄膜作为研究体系，通过调控合金靶材组分比例，获得了具备不同光热性能的金属薄膜：AFM测试结果表明磁控溅射方法制备的薄膜表面均匀，粗糙度为纳米级别，且合金薄膜晶粒尺寸相较单金属铝膜发生细化；EDX测试结果表明合金薄膜组分比例与合金靶材相近；紫外-可见光分光光度计和激光闪光法测试结果表明合金薄膜的光反射率及热扩散性能均低于单金属铝薄膜。在此基础上，采用阴影成像和超快光谱获得了金属薄膜的激光烧蚀等离子体特性：阴影成像测试结果表明激光烧蚀合金薄膜产生的等离子体冲击波能量高于单金属铝膜；超快光谱测试结果表明合金薄膜等离子体电子温度均随延迟时间呈上升趋势，且在约500ns延迟时间后均高于单金属铝膜，而单金属铝膜等离子体电子温度随延迟时间呈下降趋势；激光烧蚀形貌测试结果表明合金薄膜较单金属更易蚀除。进而，通过PDV获得了金属薄膜驱动飞片的速度加载历程：在延迟时间约200ns内，合金薄膜驱动飞片加速过程与单金属铝膜相近，之后金属薄膜驱动飞片能力与其等离子体电子温度相关；合金薄膜驱动飞片终端速度优于单金属铝膜。最后，结合金属薄膜光热性能和其激光烧蚀等离子体特性及驱动飞片性能试验结果，综合分析了影响烧蚀层材料驱动性能的主要物性参数。本项目研究成果为优化设计激光驱动飞片靶烧蚀层材料提供指导，为促进激光驱动飞片靶冲击起爆的工程化应用提供技术支持。