基于激光驱动微球的材料动态力学性能测试装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于激光驱动微球的材料动态力学性能测试装置及方法，包括激光光路模块、微球发射模块、靶体、微球位置标定模块以及测速模块；激光光路模块驱动微球发射模块发射微球；微球位置标定模块设置在微球发射模块的下方，用于选择微球；微球发射模块与靶体之间设置有掩模版，微球能够穿过掩模版撞击靶体，掩模版还用于制备发射模块表面均匀分散的微球阵列；测速模块用于实时测量微球的运动速度。本发明专利技术通过微球发射模块表面微球均匀分散的性质，配合微球位置标定模块，有助有助于均匀分散微球，从而有助于保证单次脉冲激光仅诱导单微球撞击靶体，从而有助于根据独立的单微球撞击分析准确获得靶体材料的动态力学性能。球撞击分析准确获得靶体材料的动态力学性能。球撞击分析准确获得靶体材料的动态力学性能。

【技术实现步骤摘要】
基于激光驱动微球的材料动态力学性能测试装置及方法


[0001]本专利技术涉及材料动态力学性能测试领域，具体地，涉及一种基于激光驱动微球的材料动态力学性能测试装置及方法。

技术介绍

[0002]材料的塑性变形表现出明显的应变率依赖性，动态冲击下材料有区别准静态加载下的力学性能，这种动态冲击常存在于喷丸处理与冷喷涂等生产工况，以及天空碎片撞击、子弹冲击与沙粒侵蚀等运行工况。因此，研究高应变率下材料的力学性能是非常必要的。宏观尺度上的高应变率力学性能测试方法，如摆锤冲击(GB/T3808
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1818)、落锤冲击(GB/T14152
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1816)和平板冲击试验等方法，因受限于加速能量而只允许评估宏观材料小于105s
‑1应变率的力学性能，所以不适用于模拟冷喷涂等工况下更高应变率的测试需求。
[0003]由于微尺度冲击物的质量较小，微观尺度冲击测试系统不受加速能量限制而可满足测试材料大于106s
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1应变率力学性能的要求，实际应用价值更大。微观尺度冲击测试系统主要有气枪冲击试验系统(GAS
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GUN SYSTEMS，L.C,Chhabildas,et al.International Journal of Impact Engineering,1995.)、激光驱动飞片系统(LDF，Paisley D L.APS Meeting Abstracts,1989.)与激光驱动微粒冲击测试系统(LIPIT，Lee J H,Loya P E,Lou J,et al.Science,2014,346(6193):1092
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1096.)。气枪冲击试验系统无法独立发射单微球而不能准确的定量测试材料的动态力学性能，而激光驱动飞片系统采用的平面冲击物较少出现在实际工况中，且平板飞片的撞击姿态不可控。激光驱动微粒冲击测试技术(LIPIT)利用脉冲激光诱导牺牲层产生等离子体以直接或间接方式将微粒以高速弹出，其能够可控地进行单微球撞击试验，其也克服了飞片系统的撞击物形状限制，采用更常见且飞行姿态可控的球形微粒，能够结合微球速度与靶体材料撞击形貌分析而更准确评估靶体材料的动态力学性能，是一种更理想的材料动态力学性能表征方法。
[0004]激光驱动微粒冲击测试技术(LIPIT)因主要针对单微粒的撞击测试而对其发射模块表面的微球分散程度有较高的要求。Lee JH等人(Lee J H,Loya P E,Lou J,et al.Science,2014,346(6193):1092
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1096.)将微球与乙醇混合，滴在弹性层表面后用拭镜纸与液滴接触，朝单一方向拉动，以分散微球。这种擦拭分散方法虽能得到分散程度好的微球层，但会导致微球分散密度在不同区域分布不均匀，且擦拭过程可能使微球嵌入弹性层而导致微球弹出时有较大的能量损失。Veysset D等人(Veysset D,Sun Y,Kooi S E,et al.International journal of impact engineering,2020,137:103465.)在LIPIT的发射台和靶体之间插入一个大于微球直径3倍的针孔以允许粒子通过，同时阻止烧蚀产生的碎片；该技术虽有阻隔烧蚀碎片的作用，但因孔径较大且非阵列而无法用于制备分散微球阵列。
[0005]现有公开号为CN112981090A的中国专利，其公开了一种基于激光驱动微颗粒冲击的表面强化装置，利用强激光驱动微颗粒对金属表面进行强化处理。利用同步仪同时触发激光器与高速摄像机，激光器发射出高功率密度、短脉冲的激光束通过聚焦透镜汇聚，激光
束穿过发射装置的K9玻璃层烧蚀铝膜层，高能激光致使材料温度升高，原子能量增加并发生电离，最终形成高温、高压的等离子体，等离子体迅速向外膨胀驱动PDMS膜快速鼓包并利用其良好的弹性推动小颗粒高速运动冲击靶体。微颗粒高速冲击下，金属材料表面形成硬化层，有效的改善材料的力学性能和微观组织。该系统不能实现独立的激光诱导单微粒发射，因此其不适用于定量评估材料的动态力学性能。
[0006]现有公开号为US20170143987A1的美国专利，其公开了一种激光辅助给药系统，该系统利用激光烧蚀导热层产生高压等离子体为包含治疗剂的微粒提供动力，并用吸收材料层阻隔激光对治疗剂的直接破坏，将治疗剂定向发射至目标器官或组织以达到治疗目的；但该系统以发射大量治疗剂微粒为主要目的，也未考虑单微球的发射方法而不适用于动态力学性能测试领域。基于LIPIT技术的国内外专利都未能实现单微球的发射，单微球发射的实现应在现有技术的前提上优化光路聚焦、位移台设置、制备方式与微球标定方式。
[0007]专利技术人认为现有技术存在单微球发射测试难以实现、发射模块表面分散微球阵列的制备工艺不够完善等技术问题。因此，亟需研发一种能够发射单微粒的材料动态力学性能测试系统，同时完善发射模块表面分散微球阵列制备工艺。

技术实现思路

[0008]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于激光驱动微球的材料动态力学性能测试装置及方法。
[0009]根据本专利技术提供的一种基于激光驱动微球的材料动态力学性能测试装置,包括：激光光路模块、微球发射模块、靶体、微球位置标定模块以及测速模块；所述激光光路模块驱动所述微球发射模块发射微球；所述微球位置标定模块设置在所述微球发射模块的下方，用于选择所述微球；所述微球发射模块与所述靶体之间设置有所述掩模版，所述微球能够穿过所述掩模版撞击所述靶体；所述测速模块用于实时测量所述微球的运动速度，所述测速模块包括测速相机，所述测速相机的焦平面与所述微球运动轨迹所在平面相对应。
[0010]优选地，所述激光光路模块包括脉冲激光器与光束变换装置；所述脉冲激光器用于发射脉冲激光束，所述脉冲激光束经所述光束变换装置转换为聚焦激光束。
[0011]优选地，所述微球发射模块从上至下依次为透光支撑介质、牺牲层、弹性层以及分散微球阵列；所述聚焦激光束辐照于所述牺牲层上，驱动所述弹性层变形，使所述弹性层表面的单微球弹出。
[0012]优选地，所述掩模版上设置有尺寸与所述微球直径相匹配的微孔阵列，所述微孔阵列用于制备所述分散微球阵列。
[0013]优选地，所述微球发射模块一侧设置有发射端位移台；所述发射端位移台用于调整所述微球发射模块的位置，调控所述聚焦激光束在所述牺牲层表面的位置。
[0014]优选地，所述靶体的一侧设置有接收端位移台；所述接收端位移台用于调整所述单微球对所述靶体的撞击位置，调控所述微球发射模块与所述靶体的间距。
[0015]优选地，所述掩模版的一侧设置有掩模版位移台；所述掩模版位移台用于调整所述掩模版的位置，使所述掩模版的微孔轴线与所述微球的预飞行路径重合。
[0016]优选地，所述微球位置标定模块包括标定端CCD相机与标定端位移台，所述标定端CCD相机用于选择可独立发射的所述微球，所述标定端位移台用于调整所述标定端CCD相机
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光驱动微球的材料动态力学性能测试装置，其特征在于，包括：激光光路模块、微球发射模块、靶体(11)、微球位置标定模块以及测速模块；所述激光光路模块驱动所述微球发射模块发射微球(10)；所述微球位置标定模块设置在所述微球发射模块的下方，用于选择所述微球(10)；所述微球发射模块与所述靶体(11)之间设置有所述掩模版(17)，所述微球(10)能够穿过所述掩模版(17)撞击所述靶体(11)；所述测速模块用于实时测量所述微球(10)的运动速度，所述测速模块包括测速相机(15)，所述测速相机(15)的焦平面与所述微球(10)运动轨迹所在平面相对应。2.如权利要求1所述的基于激光驱动微球的材料动态力学性能测试装置，其特征在于，所述激光光路模块包括脉冲激光器(1)与光束变换装置(3)，所述脉冲激光器(1)用于发射脉冲激光束(2)，所述脉冲激光束(2)经所述光束变换装置(3)转换为聚焦激光束(4)。3.如权利要求2所述的基于激光驱动微球的材料动态力学性能测试装置，其特征在于，所述微球发射模块从上至下依次为透光支撑介质(5)、牺牲层(6)、弹性层(7)以及分散微球阵列(8)；所述聚焦激光束(4)辐照于所述牺牲层(6)上，驱动所述弹性层(7)变形，使所述弹性层(7)表面的单微球(10)弹出。4.如权利要求3所述的基于激光驱动微球的材料动态力学性能测试装置，其特征在于，所述掩模版(17)上设置有尺寸与所述微球(10)直径相匹配的微孔阵列，所述微孔阵列用于制备所述分散微球阵列(8)。5.如权利要求3所述的基于激光驱动微球的材料动态力学性能测试装置，其特征在于，所述微球发射模块一侧设置有发射端位移台(9)，所述发射端位移台(9)用于调整所述微球发射模块的位置，调控所述聚焦激光束(4)在所述牺牲层(6)表面的位置。6.如权利要求1所述的基于激光驱动微球的材料动态力学性能测试装置，其特征在于，所述靶体(11)的一侧设置有接收端位移台(12)，所述接收端位移台(12)用于调整所述单微球(10)对所述靶体(11)的撞击位置，调控所述微球发射模块与所述靶体(11)的间距。7.如权利要求1所述的基于激光驱动微球的材料动态力学性能测试装置，其特征在于，所述掩模版(17)的一侧设...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡永祥，罗国虎，陈嘉宇，吴迪，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：