碳纤维增强树脂基复合材料（CFRPs）凭借其优异的比刚度和比强度，广泛应用于国防装备中。然而，高能激光对CFRPs的毁伤研究目前较为缺乏。在激光与CFRPs相互作用过程中，打击中心局部区域的温度会在短时间内迅速升高至升华温度，导致CFRPs出现严重的热失配，在内部产生极高的热应力。同时，基体和碳化层在热影响区经历由烧蚀引起的复杂化学反应，造成了材料的化学损坏和缺失。CFRPs的不均匀变形与烧蚀现象共同决定了其失效形式，从而增加了探究CFRPs激光毁伤机理的难度。
近日，我院雷红帅教授、王潘丁副教授、赵则昂副教授等人在方岱宁院士的指导下，实现了激光烧蚀CFRPs毁伤形貌的三维定量表征，建立了高能激光与CFRPs相互作用的理论模型，揭示了CFRPs在高能激光作用下的毁伤机制。研究成果以“Thermal-mechanical-chemical coupled model for high energy laser damage to CFRP based on CT characterization”为题发表于复合材料力学领域期刊《Composites Science and Technology》（ https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110867）
本研究开展了104W/cm2功率密度下CFRPs激光毁伤实验。基于CT扫描与三维几何重构技术，在未烧穿、临界烧穿和完全烧穿三个毁伤状态揭示了CFRPs激光毁伤行为。随着激光功率的增加，局部的烧蚀坑的形状从圆锥形转变为圆柱形。通过CFRPs激光毁伤后内部缺陷的分布情况，本研究探究了高能激光打击复合材料的热-力-化影响区域（热解层和炭化层）随激光能量密度的演化规律。
图 1 CFRPs高能激光毁伤实验及CT表征。
图 2 不同功率下激光毁伤后CFRPs的3D重建： (a) 942 W；(b) 1256 W； (c) 1884 W。
图 3 (a) 径向空隙分布；(b) 不同功率下炭化层和热解层的厚度。
本研究建立了CFRPs激光毁伤的热-力-化耦合模型与高保真数值仿真方法。分析了不同激光能量下材料力学失效、基质热解炭化、热解气体流动及材料升华过程，预测了激光打击复合材料的毁伤深度与分层宽度，预测精度达到12%以内。揭示了CFRPs激光毁伤的热-力-化耦合机理：CFRPs在激光毁伤作用下发生热解、炭化、升华等烧蚀反应及力学分层失效。炭化层的升华效应导致CFRPs局部烧蚀毁伤破坏，毁伤区域与光斑直径相当。材料内部树脂基体的热解炭化等化学反应诱导材料刚度退化，并加剧了材料内部热变形失配，材料内部树脂基体烧蚀以及层间应力共同诱发了树脂基复合材料的分层失效，致使复合材料激光毁伤区域范围是光斑直径作用范围的3倍左右。该模型准确预报了CFRPs与激光相互作用过程中的毁伤行为，可为CFRPs激光毁伤评估及防护设计提供理论方法、数值仿真和实验数据支持。
图 4 (a) 不同的时刻 σx/X1 分布；(b) 不同的时刻 σy/X2 分布。
图 5 不同功率下激光烧蚀CFRP的实验和理论模型分层失效结果对比：(a) 942 W；(b) 1256 W；(c) 1884 W。
雷红帅教授、王潘丁副教授、赵则昂副教授、方岱宁院士等人前期围绕高温环境下材料的力、热等特性，开展了一系列实验表征与分析方法研究，相关成果如下：
1. Niu et al. X-Ray Digital Image Correlation: A Reliable Method for Deformation Measurement at 1000 °C. Exp Mech 64 1263–1276 (2024). https://doi.org/10.1007/s11340-024-01094-6
2. Zhu et al. A Deep Learning-Driven Fast Scanning Method for Micro-Computed Tomography Experiments on CMCs. Exp Mech 64 1053–1072 (2024). https://doi.org/10.1007/s11340-024-01081-x
3. Xiao et al. High temperature and mesostructure effect on aluminum foam compression responses[J]. International Journal of Mechanical Sciences 275 109344 (2024). https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2024.109344
4. Zhu et al.In-situ quantitative tracking of micro-crack evolution behavior inside CMCs under load at high temperature: A deep learning method[J]. Acta Mater 255 119073 (2023). https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119073
5. Niu et al. Internal damage evolution investigation of C/SiC composites using in-situ tensile X-ray computed tomography testing and digital volume correlation at 1000 ℃[J]. Composites Part A 163 107247 (2022). https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2022.107247
