導(dǎo)航：安全管理網(wǎng)>> 安全論文>> 化工安全論文>>正文

激光輻照下熱防護(hù)涂層燒蝕過程的數(shù)值分析

文檔作者：金珂,盧鵡,曾一兵,羅正平,趙立波文檔來源：航天材料及工藝研究所		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年09月30日
下載地址：點(diǎn)擊這里	文件大?。?1.58 MB 共5頁	文檔格式： PDF	下載點(diǎn)數(shù)： 1 點(diǎn)（VIP免費(fèi)）

全屏查看

內(nèi)容預(yù)覽 [文件共5頁]

本文件共5頁，如需編輯使用，請(qǐng)下載。

注：預(yù)覽效果可能會(huì)出現(xiàn)部分文字亂碼（如口口口）、內(nèi)容顯示不全等問題，下載是正常的。

	文件大?。?.58 MB 共5頁文件格式：PDF 下載點(diǎn)數(shù)：1 點(diǎn)（VIP會(huì)員免費(fèi)）

上一篇：水性氟碳涂層體系對(duì)混凝土建筑的防護(hù)性能…

文本預(yù)覽

僅提取頁面文字內(nèi)容，供快速閱讀使用。

文章編號(hào):１００１Ｇ９７３１(２０１５)２０Ｇ２０１２８Ｇ０４
激光輻照下熱防護(hù)涂層燒蝕過程的數(shù)值分析?
金　珂,盧　鵡,曾一兵,羅正平,趙立波
(航天材料及工藝研究所,北京１０００７６)
摘　要:　針對(duì)熱防護(hù)涂層材料開展了抗激光輻照實(shí)
驗(yàn)研究,考察試片界面溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律;在此基
礎(chǔ)上以傳熱學(xué)基本原理為基礎(chǔ),建立描述涂層內(nèi)部傳
熱傳質(zhì)、燒蝕化學(xué)反應(yīng)以及表面遷移等過程數(shù)學(xué)模型
并采用數(shù)值模擬的方法對(duì)模型進(jìn)行求解,通過與實(shí)測(cè)
值對(duì)比驗(yàn)證了模型的合理性,進(jìn)一步考察涂層沿厚度
方向的溫度分布,分析了激光輻照過程中涂層表面遷
移速率.研究結(jié)果表明,所建立的數(shù)理模型能夠較好
地描述涂層的燒蝕傳熱過程,涂層表面遷移速率在輻
照初期逐漸升高而后逐漸趨于穩(wěn)定,界面溫度在短時(shí)
間內(nèi)急劇上升隨后逐漸回落,同時(shí)增加涂層厚度以及
降低材料導(dǎo)熱系數(shù)有利于對(duì)基材的保護(hù).
關(guān)鍵詞:　防護(hù)涂層;數(shù)值模擬;燒蝕過程;界面遷移
中圖分類號(hào):　TB３４;TK１２４ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
DOI:１０．３９６９/j．issn．１００１Ｇ９７３１．２０１５．２０．０２７
１　引　言
現(xiàn)階段,強(qiáng)激光輻照熱效應(yīng)已成為國內(nèi)外研究的
重點(diǎn)課題,在激光輻照的強(qiáng)熱流作用下,材料表面溫度
會(huì)急劇上升,由于溫度迅速變化使得材料的完整性、自
身承載能力及力學(xué)性能受到嚴(yán)重的影響,甚至導(dǎo)致材
料的破壞[１].目前國內(nèi)外針對(duì)抗激光防熱涂層材料展
開了大量的研究.防熱涂層材料具有耐高溫、抗燒蝕、
抗沖擊等特性[２],對(duì)空間飛行器可以起到良好的防護(hù)
作用.因此對(duì)防熱涂層材料在強(qiáng)激光輻照下,其內(nèi)部
傳熱傳質(zhì)過程以及燒蝕機(jī)理的研究有著重要意義.
傳統(tǒng)防熱涂層的研究主要采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方
法[３];近年來,隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展,數(shù)值仿真技術(shù)得到
廣泛應(yīng)用,對(duì)比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,數(shù)值仿真可以有效縮短
研究周期、降低成本.東南大學(xué)趙衛(wèi)等[４]建立了熱防
護(hù)涂層的一維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型,對(duì)碳基和硅基防熱材
料的燒蝕過程進(jìn)行了模擬研究;姜貴慶等[５]給出了碳
化型燒蝕防熱涂層成熟的計(jì)算方法并單獨(dú)編制計(jì)算程
序,實(shí)現(xiàn)了燒蝕過程的數(shù)值模擬;而徐善瑋[６]在考慮了
燒蝕質(zhì)量損失的情況下,計(jì)算得出燒蝕過程涂層溫度
分布以及燒蝕率、炭化率和炭化厚度等參數(shù)的變化規(guī)
律;國外研究人員[７,１２]通過實(shí)驗(yàn)方法研究了碳化硅材
料的燒蝕原理,研究結(jié)果表明,在溫度低于２６００℃情
況下,碳化硅燒蝕取決于氧的分壓、表面溫度、材料微
觀結(jié)構(gòu)以及成份;在此基礎(chǔ)上國義軍[１３]等研究了C/
SiC復(fù)合材料氧化燒蝕機(jī)理,建立了適用于C、Si、SiC
和C/SiC等４種材料燒蝕計(jì)算的通用數(shù)學(xué)模型.在輻
照條件下,防熱涂層材料表面遷移、消蝕以及飛散等現(xiàn)
象包含多種機(jī)制[１４],如水汽的蒸發(fā)、基體材料熱解、纖
維熔化以及殘留物化學(xué)反應(yīng)等[１５Ｇ１６];同時(shí)輻照過程中
材料光學(xué)性能、熱力學(xué)性能也是不斷變化且包含了明
顯的各向異性,上述過程對(duì)燒蝕反應(yīng)的數(shù)值仿真研究
帶來了很大難度[１７].
雖然現(xiàn)階段國內(nèi)對(duì)涂層燒蝕的研究比較多,但由
于過程的復(fù)雜多樣性,現(xiàn)有模型都是針對(duì)某些特定材
料,不具備普遍適用性.本文充分考慮了質(zhì)量損失以
及表面遷移的影響,利用傳熱學(xué)基本原理以及有限體
積的計(jì)算方法,建立描述抗激光防熱涂層燒蝕過程中
傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)以及表面遷移現(xiàn)象的數(shù)理模型,為
進(jìn)一步深入研究防熱涂層燒蝕原理奠定理論基礎(chǔ).
２　實(shí)　驗(yàn)
２．１　實(shí)驗(yàn)材料及方法
本次實(shí)驗(yàn)中的熱環(huán)境模擬測(cè)試試樣采用碳/環(huán)氧
基體材料,試樣幾何尺寸為１００ mm×１００ mm×
６．６mm.防熱涂層以及基材的基本性能如表１所示.
表１　防熱涂層以及基材熱物理性能
Table１ThethermalperformanceofcoatingandsubＧ
strate
參數(shù)數(shù)值
涂層比熱/J??kg－１??K－１ １５００
涂層導(dǎo)熱系數(shù)/W??m－１??K－１ ０．２５
涂層密度/kg??m－３ １２００
涂層厚度/mm １．３
基材導(dǎo)熱系數(shù)/W??m－１??K－１ ０．９５
基材比熱/J??kg－１??K－１ １３００
基材密度/kg??m－３ １５５０
基材厚度/mm ６．６
　　試樣涂層采用空氣噴涂的方法制備,將制作成型
的涂層室溫固化２４~４８h,然后放入干燥箱烘干;在涂
層與基材之間的交界面處埋設(shè)熱電偶用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的
采集.對(duì)防護(hù)涂層的觀察和分析使用掃描電子顯微
鏡,涂層面密度按照GB/T２２６３８．１０Ｇ２００８測(cè)試,導(dǎo)熱
２０１２８ ２０１５年第２０期(４６)卷
? 收到初稿日期:２０１４Ｇ０８Ｇ３１ 收到修改稿日期:２０１４Ｇ１２Ｇ１１ 通訊作者:金　珂,EＧmail:alexander_１１２＠１６３．com 作者簡介:金　珂　(１９８４－),男,湖北荊州人,工程師,博士,從事熱控涂層模擬仿真研究.
系數(shù)按照GB/T １０２９５Ｇ２００８ 測(cè)試,比熱按照GJB
３３０AＧ２０００測(cè)試.
２．２　結(jié)果及討論
實(shí)驗(yàn)過程中激光輻照總時(shí)間為３s,功率密度為
１．３７×１０４ kW/m２,輻照結(jié)束后測(cè)量時(shí)間持續(xù)１min左
右,計(jì)算機(jī)采集的試片界面溫度實(shí)測(cè)結(jié)果如圖１所示.
由測(cè)試曲線可以看出,在外界輻照的條件下,界面的溫
度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)急劇上升;而隨著輻照過程的結(jié)束,在
與周圍環(huán)境的綜合換熱作用下,溫度又會(huì)逐漸回落.
圖１　界面溫度實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果
Fig１Themeasureddataofinterfacetemperature
３　涂層數(shù)理模型及求解
強(qiáng)激光輻照作用下,熱防護(hù)涂層的結(jié)構(gòu)示意圖如
圖２所示,輻照過程中,涂層表面溫度升高以及燒蝕現(xiàn)
象發(fā)生其根源是內(nèi)部材料的傳熱過程.
圖２　強(qiáng)激光涂層結(jié)構(gòu)示意圖
Fig２PhysicalmodelofantiＧlaserirradiationcoating
基于傅里葉定律以及能量守恒定律,本文建立防
熱涂層傳熱過程的一維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型,其控制方程
如式(１)所示
?Ti
?τ ＝ ?
?z(α?Ti
?z )＋S (１)
　　式中,τ 為時(shí)間,s;Ti為溫度,K;S 為反應(yīng)源項(xiàng),
W/m３;α 為材料的熱擴(kuò)散系數(shù),m２/s.
３．１　化學(xué)反應(yīng)熱處理
涂層的化學(xué)反應(yīng)熱對(duì)傳熱過程有著重要影響.為
簡化計(jì)算過程,本文采用等效比熱的方法對(duì)其進(jìn)行處
理[１８].等效比熱法就是將化學(xué)反應(yīng)熱折算成比熱加
在實(shí)際比熱中,等效比熱的表達(dá)式如式(２)所示
ci＝
ci　　　　　　　T ≤T１,T ≥T２
ci＋Qi/(T２ －T１)T１ ≤T ≤T２ { (２)
　　式中,Qi為第i 層材料的反應(yīng)熱,J/kg;Ci為第i
層材料的比熱,J/(kg??K);T１,T２為溫度區(qū)間,K.
３．２　表面遷移的處理
假設(shè)燒蝕后的殘留物完全沖刷且燒蝕反應(yīng)發(fā)生在
某一特定溫度Ta.設(shè)z′＝z－s(z,τ),燒蝕速度Va＝
ds
dτ
[１９],包含燒蝕過程的導(dǎo)熱方程變?yōu)?
?Ti
?τ ＝ ?
?z′(α?Ti
?z′)＋Va?Ti
?z′ (３)
　　式中,Va為燒蝕速度,m/s.
Va ＝ ０　　T ≤Ta
Va　T ≥Ta { (４)
３．３　邊界條件以及初始條件
３．３．１　邊界條件
基材背面:λ１ ?T
?z′ z′＝L－S(t)
＝０;
交界面:λ１?T１
?z′ ＝λ２?T２
?z′ ;
輻照表面:－λ２ ?T
?z′|z′＝０ ＝Qin －h(huán)(T －Ts)－
εσ(T４ －T４s
)
式中,Qin為高溫照射強(qiáng)度,W/m２;σ 為輻射常數(shù),
５．６７×１０－８ W/(m??K);ε 為發(fā)射率;Ts 為環(huán)境溫
度,℃.
３．３．２　初始條件
基材與涂層初始溫度:T|τ＝０＝T０
３．４　模型數(shù)值求解
計(jì)算過程采用有限體積[２０Ｇ２１]的算法,擴(kuò)散項(xiàng)采用
中心差分的格式離散,而非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)采用全隱式的格式
離散.對(duì)基本控制方程在時(shí)間和空間上進(jìn)行積分,如
式(５)所示
∫e
∫w t＋Δt
t (ρcp?T
?t )dtdz ＝∫e
∫w t＋Δt
t (?
?z′(λ?T
?z′))dtdz ＋∫e
∫w t＋Δt
t (ρcpVa?T
?z′)dtdz (５)
　　采用全隱格式離散,整理如式(６)所示
(ρcpΔx
Δt ＋
λe (δx)e
＋
λw (δx)w
＋ΔtρcpVa/Δx)TP ＝
λw (δx)w
T W ＋ (λe (δx)e
＋ΔtρcpVa)TE ＋ρcpΔx
Δt T０P (６)
令　　a０p ＝ρcpΔx
Δt ;aE ＝
λe (δx)e
＋ΔtρcpVa/Δx;aW ＝
λw (δx)w;d ＝a０p?T０p;aP ＝a０p ＋aE ＋aW
　　則式(６)可轉(zhuǎn)化為aPTP ＝aETE ＋aWT W ＋d (７)
金　珂 等:激光輻照下熱防護(hù)涂層燒蝕過程的數(shù)值分析 ２０１２９
數(shù)學(xué)模型的計(jì)算流程如圖３所示.在實(shí)際計(jì)算中,表
面遷移是以控制單位節(jié)點(diǎn)溫度Ti和燒蝕溫度Ta的對(duì)
比作為判斷依據(jù),如果節(jié)點(diǎn)溫度低于燒蝕溫度,則該單
元不做任何變化;如果節(jié)點(diǎn)溫度高于燒蝕溫度,認(rèn)為該
單元被燒蝕,即節(jié)點(diǎn)刪除且重新編號(hào)其余節(jié)點(diǎn).
圖３　計(jì)算流程圖
Fig３Flowchartofcomputation
４　結(jié)果與分析
４．１　基本工況分析
基于上述實(shí)驗(yàn)條件,本文進(jìn)行了仿真分析,計(jì)算過
程中對(duì)涂層與基材之間的界面溫度進(jìn)行了監(jiān)測(cè);計(jì)算
值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果如圖４所示.可見,計(jì)算值與
實(shí)測(cè)值基本吻合,兩者變化趨勢(shì)一致且相對(duì)誤差較小,
證明了本文所建立數(shù)理模型的合理性.
圖４　計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比
Fig４ Comparison of numericaltemperaturesand
measureddata
涂層表面遷移速率隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖５所示.
計(jì)算結(jié)果顯示,當(dāng)強(qiáng)激光輻照過程進(jìn)行到０．８s左右的
時(shí)候,涂層表面開始發(fā)生燒蝕反應(yīng);界面遷移速率主要
由表面溫度的變化速率決定,在輻照初期由于表面溫度
的急劇上升,遷移速率也會(huì)逐漸升高;而在輻照后期,由
于熱解反應(yīng)的吸熱作用,溫度變化率趨于穩(wěn)定,因此表
面遷移速率基本保持不變.當(dāng)輻照結(jié)束以后,涂層的總
燒蝕厚度大約為０．４mm,占涂層總厚度的１/３.
圖５　表面遷移速率隨時(shí)間變化規(guī)律
Fig５Variationoftherateofsurfacemigrationwith
time
涂層與基材沿厚度方向的時(shí)間Ｇ溫度變化如圖６
所示.計(jì)算結(jié)果顯示,涂層表面在輻照作用條件下,溫
度急劇上升;而在輻照過程結(jié)束以后,由于涂層表面與
外界環(huán)境的散熱,表面溫度便會(huì)逐漸降低;而基材背面
由于遠(yuǎn)離激光照射,溫度值相對(duì)較低;當(dāng)輻照過程結(jié)束
以后,由于涂層表面溫度偏高,因此在溫度梯度的作用
下,基材背面的溫度仍然會(huì)升高直到涂層與基材溫度
趨于一致.
圖６　不同時(shí)刻,涂層厚度方向的溫度分布
Fig６Temperaturedistributionalongthedirectionof
thicknessindifferenttime
４．２　影響因素分析
在激光照射過程中,界面溫度的變化規(guī)律會(huì)受到
涂層厚度以及材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響[２２],本文分別對(duì)上
述影響因素進(jìn)行了分析,計(jì)算結(jié)果如圖７和８所示.
可見,隨著涂層厚度的增大以及材料導(dǎo)熱系數(shù)的降低,
界面溫度會(huì)逐漸降低.
圖７　涂層厚度對(duì)界面溫度的影響
Fig７Effectsofthicknessofcoatingsontheinterface
temperature
２０１３０ ２０１５年第２０期(４６)卷
圖８　涂層導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)界面溫度的影響
Fig８EffectsofconductivityofcoatingsontheinterＧ
facetemperature
５　結(jié)　論
基于熱防護(hù)涂層的基本結(jié)構(gòu)以及燒蝕機(jī)理,建立
了描述熱防護(hù)涂層內(nèi)部傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)以及表面
遷移的非穩(wěn)態(tài)數(shù)理模型.重點(diǎn)考察了涂層基材界面溫
度隨時(shí)間的變化規(guī)律.得出主要結(jié)論如下:
(１)　實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值基本吻合,證明本文建立數(shù)
理模型的合理性與準(zhǔn)確性.
(２)　在輻照條件下,表面燒蝕厚度為０．４mm 左
右,表面遷移速率在燒蝕初期逐漸升高,而后趨于穩(wěn)定
直到輻照結(jié)束.
(３)　輻照初期,涂層沿厚度方向表面溫度最高;
隨著輻照過程的結(jié)束,涂層表面溫度逐漸降低直至內(nèi)
部溫度梯度縮小至０.
(４)　隨著涂層厚度的增加,導(dǎo)熱系數(shù)的降低,界
面溫度也會(huì)逐漸降低且有利于對(duì)基材的熱防護(hù).
參考文獻(xiàn):
[１]　LiYad,ZhangGangchui,WuPing,etal．NumericalcalＧ
culationforablationofcarbonfiber/epoxyresinlaminated
compositesundercontinuouslaserirradiation[J]．Journal
ofSolidRocketTechnology,２００８,３１(３):２６２Ｇ２６５．
[２]　YuanJianpeng．Theapplicationofcoatingsonthefieldof
aerospace materials[J]．Advanced MaterialsIndustry,
２０１２,１０:５２Ｇ５６．
[３]　LiJiang,LiuYang,LouYongchun,etal．Experimental
investigationfortheinfluenceofparticleoninsulationeroＧ
sion[J]．JournalofPropulsionTechnology,２００６,２７(１):
７１Ｇ７４．
[４]　Zhao Wei,QiaoLing,HangXiaoling．Surfaceablation
modelandnumericalsimulationofC/CＧSiCcompositesＧ
[J]．JournalofSoutheastUniversity,２０１１,４１(２):３６５Ｇ
３６９．
[５]　JiangGuiqing,LiuLianyuan．TheheattransferandtherＧ
malprotectionofhighspeedairflow[M]．Beijing:NationＧ
alDefenseIndustryPress,２００３．６３Ｇ９３．
[６]　XuShanwei,HouXiao,Zhang Hongan,etal．CalculaＧ
tionofinternalinsulationablationmasslossofsolidrockＧ
etmotor[J]．JournalofSolidRocketTechnology,２００３,
２６(３):２８Ｇ３１．
[７]　LeviCG．Emergingmaterialsandprocessesforthermal
barriersystems[J]．CurrentOpinioninSolidStateand
MaterialsScience,２００４,８:７７Ｇ９１．
[８]　MillerRA．Thermalbarriercoatingsforaircraftengines:
historyanddirections[J]．JournalofThermalSprayTechＧ
nology,１９９７,６(１):３５Ｇ４２．
[９]　NarushimaT,GotoT,HiraiT,etal．Hightemperature
oxidationofsiliconcarbideandsiliconnitride[J]．Mat
TransJim,１９９７,３８(１０):８２１Ｇ８３５．
[１０]　ZhongX H,WangY M,XuZH,etal．HotＧcorrosion
behaviorsoftheyttriaＧstabilizedzirconiacoatingswhich
werelaserＧcladded withanoverlayinsulfateＧvanadate
salts[J]．Journalofthe European Ceramic Society,
２０１０,３０(６):１４０１Ｇ１４０８．
[１１]　FrankS．Calileoprobeheatshieldablationexperiment
[J]．JournalofSpacecraftandRockets,１９９７,３４(６):
７０５Ｇ７１３．
[１２]　MurrayA L,RussellG W．Coupledaeroanalysisfor
missileconfigurations[J]．JournalofSpacecraftand
Rockets,２００２,３９(４):４６８Ｇ４７５．
[１３]　GuoYijun,GuiYewei,TongFulin．ResearchonablaＧ
tingmechanismofC/ZrCcompositematerials[J]．Acth
AeroＧdynamicaSinica,２０１２,３０(１):３４Ｇ３８．
[１４]　JiaoGengsheng,LiHejun,LiKezhi．StudyontheoxiＧ
dation mechanism ofthecoated C/C composites[J]．
JournalofFunctional Materials,２００７,３８(８):１３２７Ｇ
１３３０．
[１５]　YangDejun,LiXudong．NumericalsimulationofhighＧ
temperaturecarbonizedablation processesforthermal
protectivecomposites[J]．JournalofFunctionalMateriＧ
als,２０１３,４４(４):５４４Ｇ５４７．
[１６]　BlackwellBF．NumericalpredictionofoneＧdimensional
ablationusingafinitecontrolvolumeprocedurewithexＧ
ponential difference[J]．Numerical Heat Transfer,
１９９８,１４(１):１７Ｇ３４．
[１７]　ZhouGuodong,ChenShuhai,HuangJihu．FiniteeleＧ
mentanalysisofthermalinsulationindoubleＧceramicＧ
layerthermalbarriercoatings[J]．JournalofFunctional
Materials,２０１１,４２(１２):２１６２Ｇ２１６５．
[１８]　GuoYingkui,LiangXingang,ZhangYingping．SimipliＧ
fiedmethodforanalyzingthetransientthermalperformＧ
anceofcomposite(phasechange)material[J]．ActEnerＧ
giaeSolarisSinica,２００１,２２(１):４０Ｇ４４．
[１９]　ZhangTao,SunBing．Numericalsimulationresearchon
threeＧdimensionalinternalthermalresponseofablation
thermalprotection[J]．JournalofAstronautics,２０１２,
３３(３):２９８Ｇ３０４．
[２０]　AmarAJ,BlackwellBF,EdawrdsJR．OneＧdimenＧ
sionalablationwithpyrolysisgasflowusingafullNewＧ
ton＇smethodandfinitecontrolvolumeprocedure[C]//
Miami:The３９th AlAA ThermoＧphysicsConference,
２００７．
[２１]　Tao Wenquan．Numericalheattransfer[M]．Xi’an:
Xi’anJiaotongUniversityPress,２００１．
[２２]　GongShengkai,DengLiang,BiXiaofang,etal．Thermal
barriereffectofceramicthermalbarriercoatings[J]．AcＧ
taAeronauticaetAstronauticaSinica,２０００,２１(４):２５Ｇ
２９．
(下轉(zhuǎn)第２０１３５頁)
金　珂 等:激光輻照下熱防護(hù)涂層燒蝕過程的數(shù)值分析 ２０１３１
氮苯聚合物BPＧ２AＧ３５ＧCN,具體合成方法和過程詳見文
獻(xiàn)[１５].BPＧ２AＧ３５ＧCN的化學(xué)結(jié)構(gòu)式見圖１.
首先制備偶氮苯聚合物環(huán)戊酮溶液,然后用勻膠
法制備偶氮苯聚合物薄膜.即先在試劑瓶中加入
０．２５g書館的BPＧ２AＧ３５ＧCN 粉末,再加入４．７５g的環(huán)
戊酮溶液,充分超聲溶解后得到質(zhì)量濃度為５％的BPＧ
２AＧ３５ＧCN 偶氮苯聚合物環(huán)戊酮溶液.用KWＧ４A 型
勻膠機(jī)制備偶氮苯聚合物薄膜,在處理干凈的石英玻
璃片上滴涂聚合物環(huán)戊酮溶液,勻膠機(jī)速度選用低速
１０００r/min,３s,高速４０００r/min,６０s.將制備好的
薄膜樣品放在５０℃的恒溫箱中約３０min,最后得到厚
度均勻的約５８nm 的偶氮苯聚合物薄膜樣品.
２．２　聚合物薄膜樣品吸收光譜測(cè)量
圖１所示為環(huán)氧樹脂類雙偶氮苯聚合物BPＧ２AＧ
３５ＧCN 的化學(xué)結(jié)構(gòu)式和薄膜樣品的紫外Ｇ可見吸收光
譜.分析其吸收光譜可知,該偶氮苯聚合物的反式異
構(gòu)體的吸收峰在３４０nm 附近,其順式吸收峰在
５００nm 附近.與一般的偶氮苯聚合物薄膜的順反異
構(gòu)吸收特性不同,BPＧ２AＧ３５ＧCN 的順式吸收強(qiáng)度遠(yuǎn)高
于其反式吸收強(qiáng)度,且順式異構(gòu)的吸收光譜范圍很寬,
從４００nm 至接近６５０nm.這充分說明該偶氮苯聚合
物薄膜的寬光譜響應(yīng)范圍特點(diǎn),可用于很寬范圍的激
光干涉刻寫表面起伏光柵.
圖１　BPＧ２AＧ３５ＧCN 的化學(xué)結(jié)構(gòu)式及聚合物薄膜紫
外Ｇ可見吸收光譜
Fig１ ThechemicalstructureofBPＧ２AＧ３５ＧCN and
UVＧVisabsorptionspectrum ofthepolymer
film
３　表面起伏光柵刻寫研究
３．１　表面起伏光柵刻寫結(jié)構(gòu)
如前所述,BPＧ２AＧ３５ＧCN 偶氮苯聚合物薄膜具有
很寬的光譜響應(yīng)范圍.因此我們選用５３２nm 單縱模
激光器(MONOPOWERＧ５３２Ｇ１００ＧSM)進(jìn)行表面起伏
光柵刻寫實(shí)驗(yàn)研究,而不是價(jià)格昂貴的Ar離子激光器
(４８８nm 波長)或HeＧCd激光器(４４２nm 波長)甚至紫
外激光器.圖２所示為刻寫表面起伏光柵的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)
示意圖,５３２nm 激光器輸出的１００mW 線偏光,經(jīng)過
控制曝光時(shí)間的快門(Shutter)后,經(jīng)透鏡組擴(kuò)束成
４mm的圓形光斑.擴(kuò)束后的激光經(jīng)分束器(Beam
splitter)分成強(qiáng)度相同的兩束光,分別經(jīng)平面反射鏡
１(Mirror１)、平面反射鏡２(Mirror２)反射后,以相同
的入射角θ 輻照偶氮苯聚合物薄膜樣品(Sample).圖
２為典型的無掩膜雙光束干涉光刻結(jié)構(gòu),這種方法刻
寫光柵時(shí),干涉光場(chǎng)為正弦型分布,刻寫的光柵為正弦
型光柵,其周期d 為
d ＝ λ
２sinθ (１)
　　式(１)中,λ 為激光器輸出的激光波長.由式(１)
可知,圖２所示的光刻結(jié)構(gòu)刻寫的光柵周期可以通過
激光輻照薄膜樣品的入射角進(jìn)行有效調(diào)控,同時(shí),該光
刻結(jié)構(gòu)也是一種無掩膜光刻,其成本相對(duì)較低.
圖２　偶氮聚合物表面起伏光柵刻寫實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖
Fig２ Schematicconfigurationoftheexperimental
setupforinscribingsurfacereliefＧgratingsof
azoＧpolymerfilm
３．２　一維表面起伏光柵刻寫研究
圖３所示為用上述雙光束干涉方法和激光曝光條
件刻寫１０min時(shí)間得到的一維偶氮苯聚合物表面起
伏光柵的原子力顯微鏡(atomicforce microscope,
AFM)圖,其中圖３(a)為AFM 二維圖,圖３(b)為
AFM 三維圖.通過分析一維光柵的AFM 圖可知,刻
寫的光柵周期約為１．２８μm,光柵深度約為４７nm,該
表面起伏光柵的深度非常接近偶氮苯聚合物薄膜的厚
度５８nm,另外,AFM 掃描樣品得到的光柵周期和深
度都非常均勻,這充分說明該聚合物薄膜具有很好的
光致質(zhì)量遷移效應(yīng).
３．３　二維表面起伏光柵刻寫研究
雙光束干涉刻寫的表面起伏光柵為一維光柵,要
刻寫二維光柵,一般需要４束激光干涉,其光路的構(gòu)建
顯然非常復(fù)雜.為克服刻寫二維表面起伏光柵的困
難,我們提出光路不變,將樣品選擇９０°的方法.具體
為,首先用雙光束干涉的方法曝光偶氮苯聚合物薄膜
樣品１０min時(shí)間,之后,將刻寫了一維光柵的薄膜樣
品旋轉(zhuǎn)９０°,并再次用同樣的條件雙光束干涉輻照已經(jīng)
刻寫了一維光柵的薄膜位置,再次曝光１０min后,便
可得到二維光柵.圖４所示為用這種方法刻寫的二維
表面起伏光柵,其中圖４(a)和(b)分別為刻寫的二維
光柵的AFM 二維圖和三維圖.通過AFM 圖分析可
知,用基于樣品９０°旋轉(zhuǎn)的方法刻寫的二維表面起伏光
柵結(jié)構(gòu)為半球形的二維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),二維光柵的周期性
和起伏也比較均勻.
王向賢 等:環(huán)氧樹脂類雙偶氮苯聚合物BPＧ２AＧ３５ＧCN表面起伏光柵刻寫研究 ２０１３３

網(wǎng)友評(píng)論 more

化工安全論文最新內(nèi)容

09-30