激光烧蚀Al-PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法技术

本发明专利技术公开了一种激光烧蚀Al

【技术实现步骤摘要】
激光烧蚀Al
‑
PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法


[0001]本专利技术涉及含能材料
，具体是一种激光烧蚀Al
‑
PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法。

技术介绍

[0002]Al
‑
PTFE反应材料因其先进的机械和高放热性能，广泛应用于炸药、推进剂和烟火药中。与传统含能材料不同，Al
‑
PTFE反应材料通常是由铝和聚四氟乙烯两种非爆炸性固体颗粒烧结而成的复合材料，其在常规环境下保持惰性而难以起爆，安全性较高，并且兼有聚合物和金属的双重特性，具有一定的韧性和强度。当Al
‑
PTFE反应材料遭受机械、电或者激光刺激后，其将快速燃烧且爆炸，释放大量的化学热能和动能。与机械和电刺激相比，采用激光点火反应材料将不会生成有毒反应物，可避免意外撞击导致的爆炸，并且可以在超远距离激发反应材料的爆炸。因此，激光点火对于一些需要精确控制的应用将是首选，比如在化学推进系统中生成确定的推力或者石油勘测中的定点爆破。Al
‑
PTFE反应材料被激发后反应程度和反应过程与反应材料的烧蚀深度和温度分布直接相关，因此可根据激光和Al
‑
PTFE反应材料之间的化学反应机理，建立激光烧蚀Al
‑
PTFE反应材料模型，预测Al
‑
PTFE反应材料的温度分布和烧蚀深度，对于Al
‑
PTFE反应材料的精准激光点火具有重要意义。
[0003]尽管已有一些实验研究分析了Al
‑
PTFE反应材料的热反应过程，但是多数只把Al
‑
PTFE反应材料反应当做均质材料，不考虑反应材料之间的化学反应，或者只是认为Al和PTFE之间直接反应，因此无法准确预测Al
‑
PTFE反应材料的温度分布和烧蚀深度。因此，本专利技术理论分析和总结了激光烧蚀Al
‑
PTFE反应材料的动态多物理过程，然后将反应材料划分为三个区域和阶段，充分考虑激光能量热沉积、化学反应动力学、相变和移动边界等因素对烧蚀过程的影响，建立高保真数值模型并且开发对应的数值求解方法，准确预测Al
‑
PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布。
[0004]当前业界尚无针对激光烧蚀Al
‑
PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布的预测方法，采用此方法可以在Al
‑
PTFE反应材料的实际应用中，一方面根据爆破或者推力需求，快速确定激光点火能量，另一方面可根据提供的激光能量预测反应材料温度分布，评估反应进程。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术中的不足，本专利技术提供一种激光烧蚀Al
‑
PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法，能够精准预测激光烧蚀Al
‑
PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布，以根据实际任务需求，确定Al
‑
PTFE反应材料的激光点火能量，节省试验时间和试验成本，提高爆破或推力生成的精准度。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供一种激光烧蚀Al
‑
PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法，其特征在于，将激光和Al
‑
PTFE反应材料之间的动态反应过程划分为固体层、气泡层和气体层三个区域以及固体
‑
气泡界面层和气泡
‑
气体界面层两个动态边界层。
[0007]固体层包含固态Al和固态PTFE，为均质材料；气泡层包含固态Al、熔融态Al、熔融态PTFE和气态C2F4，由液态溶液和气泡的组成。且气体层只发生PTFE的分解反应，Al和PTFE的分解产物C2F4在气体层中反应生成AlF3和C。
[0008]本专利技术中，烧蚀深度和温度分布预测方法具体包括如下步骤：
[0009]步骤1，读取Al
‑
PTFE反应材料与激光的基本参数以及Al
‑
PTFE反应材料的物性参数；
[0010]步骤2，根据上一时间步Al
‑
PTFE反应材料的温度分布和体积分数分布，得到当前时间步中固体
‑
气泡界面层和气泡
‑
气体界面层的移动速度，并重新计算固体层和气泡层的长度；
[0011]步骤3，将固体
‑
气泡界面层和气泡
‑
气体界面层从移动界面层转换为固定边界层；
[0012]步骤4，将固体层视为单一的均质材料，计算其密度、导热系数和热容以及激光反射率和激光吸收系数，更新当前时间步固体层的热物性参数；
[0013]步骤5，根据上一时间步固体层的温度分布求解固体层的导热方程得到当前时间步固体层的温度分布；
[0014]步骤6，根据上一时间步气泡层的温度分布和质量分数分布更新当前时间步气泡层的热物性参数以及化学反应速率；
[0015]步骤7，求解组分守恒方程获得气泡层当前时间步的质量分数，并将质量分数导入能量守恒方程得到当前时间步气泡层的温度分布；
[0016]步骤8，重复步骤2
‑
步骤7，经历M个时间步后，判断计算时长是否超过激光脉宽，若是则进入步骤9，否则继续重复步骤2
‑
步骤7；
[0017]步骤9，输出激光结束时刻时固体层和气泡层的长度，结合Al
‑
PTFE反应材料的初始长度，得到烧蚀深度；
[0018]步骤10，综合固体层和气泡层的温度分布，将其重新转换为常规坐标系，输出Al
‑
PTFE反应材料的温度分布。
[0019]本专利技术提供的一种激光烧蚀Al
‑
PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法，填补了业界在此方面的空白，可为Al
‑
PTFE反应材料的研制中，提供廉价且方便的仿真实验分析，指导后续试验进行，同时根据工程应用，可快速确定激光点火能量，另一方面可根据提供的激光能量预测反应材料温度分布，评估反应进程。
附图说明
[0020]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0021]图1为本专利技术实施例中激光烧蚀Al
‑
PTFE反应材料的动态过程示意图；
[0022]图2为本专利技术实施例中预测方法的流程图；
[0023]图3为本专利技术实施例中坐标变化示意图，其中，(a)为坐标变换前的示意图，(b)为坐标变换前的示意图；
[0024]图4为本专利技术实施例示例中预测值与实验测量值对比图。
[0025]本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光烧蚀Al
‑
PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法，其特征在于，将激光和Al
‑
PTFE反应材料之间的动态反应过程划分为固体层、气泡层和气体层三个区域以及固体
‑
气泡界面层和气泡
‑
气体界面层两个动态边界层，所述烧蚀深度和温度分布预测方法具体包括如下步骤：步骤1，读取Al
‑
PTFE反应材料与激光的基本参数以及Al
‑
PTFE反应材料的物性参数；步骤2，根据上一时间步Al
‑
PTFE反应材料的温度分布和体积分数分布，得到当前时间步中固体
‑
气泡界面层和气泡
‑
气体界面层的移动速度，并重新计算固体层和气泡层的长度；步骤3，将固体
‑
气泡界面层和气泡
‑
气体界面层从移动界面层转换为固定边界层；步骤4，将固体层视为单一的均质材料，计算其密度、导热系数和热容以及激光反射率和激光吸收系数，更新当前时间步固体层的热物性参数；步骤5，根据上一时间步固体层的温度分布求解固体层的导热方程得到当前时间步固体层的温度分布；步骤6，根据上一时间步气泡层的温度分布和质量分数分布更新当前时间步气泡层的热物性参数以及化学反应速率；步骤7，求解组分守恒方程获得气泡层当前时间步的质量分数，并将质量分数导入能量守恒方程得到当前时间步气泡层的温度分布；步骤8，重复步骤2
‑
步骤7，经历M个时间步后，判断计算时长是否超过激光脉宽，若是则进入步骤9，否则继续重复步骤2
‑
步骤7；步骤9，输出激光结束时刻时固体层和气泡层的长度，结合Al
‑
PTFE反应材料的初始长度，得到烧蚀深度；步骤10，综合固体层和气泡层的温度分布，将其重新转换为常规坐标系，输出Al
‑
PTFE反应材料的温度分布。2.根据权利要求1所述激光烧蚀Al
‑
PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法，其特征在于，其特征在于，所述固体层包含固态Al和固态PTFE，为均质材料；所述气泡层包含固态Al、熔融态Al、熔融态PTFE和气态C2F4，由液态溶液和气泡的组成。3.根据权利要求1或2所述激光烧蚀Al
‑
PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法，其特征在于，步骤2中，所述根据上一时间步Al
‑
PTFE反应材料的温度分布和体积分数分布，得到当前时间步中固体
‑
气泡界面层和气泡
‑
气体界面层的移动速度，具体包括如下步骤：计算当前时间步中固体
‑
气泡界面层的移动速度，为：其中，V
s
‑
f
为固体
‑
气泡界面层移动速度，ΔH
melt
为相变潜热，ρ
s
为固体层的密度，λ
s
为固体层的导热系数，λ
f
为固体层的导热系数，T
f
为气泡层的温度，T
s
为固体层的温度，L
f
为气泡层的位置，L
s
为固体层的位置，t为时间；计算当前时间步中气泡
‑
气体界面层的移动速度，亦为材料表面烧蚀速度，为：
其中，v
s
为烧蚀速度，V
f
‑
g
为气泡
‑
气体界面层的移动速度，为界面层处的PTFE体积分数，w
Rf
为PTFE分解反应的反应速率。4.根据权利要求3所述激光烧蚀Al
‑
PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法，其特征在于，步骤2中，所述重新计算固体层和气泡层的长度，具体为：根据两个界面层的移动速度，在每个新的时间步中，两个界面层的位置分别为：(L
f
‑
g
)
k+1
＝(L
f
‑
g
)
k
‑
V
f
‑
g
·
dt(L
s
‑
f
)
k+1
＝(L
s
‑
f
)
k
‑
V
s
‑
f
·
dt其中，(L
f
‑
g
)
k
为第k时间步时气泡
‑
气体界面层的位置，(L
f
‑
g
)
k+1
为第k+1时间步时气泡
‑
气体界面层的位置，(L
s
‑
f
)
k
为第k时间步时固体
‑
气泡界面层的位置，(L
s
‑
f
)
k+1
为第k+1时间步时固体
‑
气泡界面层的位置，k为时间步数，Δt为时间步长；固体层和气泡层在新时间步中的长度，分别为：(l
s
)
k+1
＝(L
s
‑
f
)
k+1
‑
0(l
f
)
k+1
＝(L
f
‑
g
)
k+1
‑
(L
s
‑
f
)
k+1
其中，(l
s
)
k+1
为第k+1时间步时固体层的长度，(l
f
)
k+1
为第k+1时间步时气泡层的长度。5.根据权利要求1或2所述激光烧蚀Al
‑
PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法，其特征在于，步骤3中，所述将固体
‑
气泡界面层和气泡
‑
气体界面层从移动界面层转换为固定边界层，具体为：对于常规的水平坐标系，固体层和气泡层都可表示为：为：其中，p、q无具体意义，{}是集合的意义，s表示固体层，f表示气泡层，o
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴建军，欧阳，张宇，王墨戈，李健，郑鹏，胡泽军，赵元政，李宇奇，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：