《激光冲击波结合力检测理论与技术》从原理、设备、模型、特征、规律、机理、方法等方面系统介绍激光冲击波结合力检测理论与技术，主要内容包括激光冲击波结合力检测系统、激光冲击波压力测试与模型、碳纤维复合材料本构模型构建与内部应力波传播特性、碳纤维复合材料激光冲击层裂的损伤特征表征及机理验证、碳纤维复合材料激光冲击层裂的信号特征及阈值模型、碳纤维复合材料激光冲击波结合力检测。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 激光冲击波结合力检测技术的工程需求 1
1.2 激光冲击波结合力检测技术的基本原理 2
1.3 激光冲击波基础理论 3
1.4 激光冲击波结合力检测技术发展现状 4
1.4.1 激光冲击波结合力检测技术的发展历程 5
1.4.2 激光冲击波结合力检测技术的关键研究进展 6
1.5 激光冲击波结合力检测技术的关键科学问题 16
1.6 本书主要内容 17
参考文献 17
第2章 激光冲击波结合力检测系统 24
2.1 高功率激光器系统 24
2.1.1 可调脉宽/波形/能量激光器设计 24
2.1.2 激光器参数指标 29
2.1.3 激光器附属系统 32
2.2 光子多普勒测速仪原理及系统 36
2.2.1 光子多普勒测速仪原理 37
2.2.2 光子多普勒测速仪系统 37
2.3 电磁超声检测设备及系统 38
2.3.1 检测探头设计 38
2.3.2 一体化电磁感应胶带设计 41
2.3.3 永磁体流线设计 43
参考文献 45
第3章 激光冲击波压力测试与模型 47
3.1 激光冲击波压力测试方法 47
3.1.1 基于PDV 的压力测试原理及方法 47
3.1.2 典型时频分析的信号处理方法 51
3.1.3 基于多分辨SVD 与连续小波变换的信号处理方法 53
3.2 激光冲击波峰值压力的参数影响规律 61
3.2.1 激光功率密度的影响规律 61
3.2.2 激光能量分布的影响规律 63
3.2.3 激光脉冲宽度的影响规律 67
3.3 激光冲击波压力的时空分布特征及预测模型 72
3.3.1 基于多岛遗传算法的时空分布特征 72
3.3.2 基于多层感知器的峰值压力预测模型 86
参考文献 96
第4章 碳纤维复合材料本构模型构建与内部应力波传播特性 99
4.1 考虑应变率效应的复合材料本构模型构建 99
4.1.1 基于机器学习的应变率动态增强因子自适应匹配模型 99
4.1.2 应变率敏感的拉压不对称复合材料本构模型构建 104
4.2 无层裂状态下冲击波传播特性 115
4.3 单层层裂状态下冲击波传播特性 119
4.4 多层层裂状态下冲击波传播特性 122
参考文献 126
第5章 碳纤维复合材料激光冲击层裂的损伤特征表征及机理验证 128
5.1 碳纤维复合材料激光冲击层裂的损伤特征 128
5.2 碳纤维层合板激光冲击损伤机理 130
5.2.1 激光冲击层裂试验的动态信号处理 130
5.2.2 激光冲击层裂损伤机理的静态表征 132
5.2.3 碳纤维层合板激光冲击动态信号特征和静态损伤特征 136
5.3 碳纤维复合材料激光冲击层裂特征的参数影响规律 142
5.3.1 激光能量与层裂阈值的关联规律 142
5.3.2 激光光斑尺寸与层裂范围的关联规律 148
5.3.3 激光能量对层裂位置的影响 150
5.3.4 激光脉宽对层裂位置的影响 152
5.3.5 比值系数对层裂位置的影响 153
5.3.6 激光脉冲波形与层裂类型的关联规律 157
参考文献 163
第6章 碳纤维复合材料激光冲击层裂的信号特征及阈值模型 165
6.1 激光冲击层裂的信号特征参数构建 165
6.1.1 激光参数与层裂信号特征的关联 165
6.1.2 激光冲击层裂的信号特征参数 169
6.2 不同激光脉宽下R 值*线演化规律 174
6.2.1 层合板R 值*线 174
6.2.2 胶接件R 值*线 176
6.3 激光冲击层裂的损伤阈值模型 178
6.3.1 层合板损伤阈值模型 178
6.3.2 胶接件损伤阈值模型 179
参考文献 180
第7章 碳纤维复合材料激光冲击波结合力检测 182
7.1 基于PDV 的复合材料胶接结构检测 182
7.1.1 基于低—高—低三次冲击的界面结合强度检测方法及试验验证 182
7.1.2 基于峰值熵的检测方法及试验验证 186
7.2 基于EMAT的复合材料胶接结构检测 192
7.2.1 复合材料内部Lamb波传播规律 192
7.2.2 基于Lamb波的两次冲击的检测方法及试验验证 204
参考文献 213

第1章绪论
　　1.1激光冲击波结合力检测技术的工程需求
　　纤维增强树脂基复合材料是指碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等为增强体的树脂基复合材料，具有比强度高、比模量高、抗疲劳性好、耐腐蚀性好、抗断裂能力强等显著优点。纤维增强树脂基复合材料以层合板和蜂窝夹芯等结构形式广泛用于航空航天领域，用量快速增大，并从飞机非承力构件向主承力构件发展[1]。美国军用F-22、F-35和中国歼-20等第四代战斗机复合材料用量占30%左右；美国军用B-2轰炸机和民用空客A350、波音787等飞机复合材料用量占到50%以上[2]；无人机复合材料用量高达80%，甚至研制了全复合材料无人机。
　　复合材料结构连接时，传统铆钉、螺栓等连接方式容易因钻孔发生纤维断裂、基体开裂和分层损伤等，导致其力学性能降低。因此，复合材料结构通常改用胶接方式进行连接。例如，C919飞机的方向舵、机翼、水平尾翼等次/主承力结构的壁板、蒙皮和长桁的连接均采用共胶接形式。胶黏界面则成为应力载荷传递面，各项力学性能均与界面性质有关[3]。
　　胶黏界面(图1.1)结合强度是复合材料结构强度和服役安全的关键性能指标之一，但在制造和服役过程中，胶黏界面污染、黏接剂涂覆不均匀和黏接剂老化等因素，往往会导致胶黏界面出现“吻接”(kissbond，界面完全接触但不能传递载荷)、“弱黏接”(weakbond，结合强度不足正常要求的20%[4])等问题，严重威胁复合材料结构件服役安全。2017年6月11日，MU736航班就是因为装备的Trent700发动机进气罩复合材料机匣胶接层破损而发生严重事故。欧盟于2010年11月启动了复合材料胶接结构扩展无损检测(ENCOMB)计划[3]，旨在研发复合材
　　图1.1胶黏界面示意图
　　料胶黏界面结合强度的无损检测技术，以服务于复合材料结构黏接质量与服役性能的检测评价。
　　由于复合材料结构胶黏界面“吻接”和“弱黏接”是物理“力学”问题，并不是简单的几何缺陷，超声波、红外、X射线等现有无损检测技术无法适用[5，6]；传统拉拔法、剪切法和弯*法等力学测试方法虽然可以实现胶黏界面结合强度评估，但会对材料/结构造成破坏/损伤，无法对制造产品进行全样本检测，更无法在服役过程中应用。因此，迫切需要发展适用于复合材料结构胶黏界面结合强度检测评价的新理论、新方法。激光冲击波结合力检测(LBI)是一种利用激光冲击波反射拉伸波的力学效应诱发胶黏界面层裂，依据层裂发生与否进行胶黏界面结合强度定量评估的新型检测技术，可有效解决“吻接”和“弱黏接”的检测难题。
　　1.2激光冲击波结合力检测技术的基本原理
　　激光冲击波结合力检测技术是一种新型胶黏界面结合强度的定量检测技术[7]，其基本原理、结构组成与激光冲击强化技术相似，同样利用高功率(吉瓦量级)、短脉冲(纳秒量级)激光辐照材料表面，材料表面涂覆的吸收保护层(水约束层、铝箔、黑色胶带等)吸收激光能量，快速发生电离产生稠密等离子体，等离子体膨胀爆炸形成高压等离子体冲击波(吉帕量级)，冲击波*先以压缩波形式向材料内部传播，即**波程；冲击波传播到材料背面发生反射，转变为拉伸波，即第二波程(本书技术所利用)。当反射拉伸波应力超过胶黏界面的结合强度，就会在胶黏界面处发生层裂现象。因此，根据胶黏界面处拉伸波应力值和层裂现象发生与否，判断胶黏界面结合强度是否满足设计标准，如图1.2所示。
　　图1.2激光冲击波结合力检测技术基本原理示意图(扫描封底左上角二维码查看彩图)P-动态载荷压力
　　激光冲击波结合力检测技术主要特点如下：
　　(1)高能。脉冲激光能量达数焦耳，其功率密度达到吉瓦每平方厘米量级，且激光能量在极短时间内转变为冲击波动能。
　　(2)高压。激光冲击波压力达到吉帕量级，可直接导致材料发生层裂。
　　(3)超快。激光冲击波作用时间仅几十纳秒，而且整个材料响应过程持续时间仅在微秒量级。
　　(4)超高应变率。激光冲击波作用下材料在极短时间内完成动态变形响应，其应变率达106s.1。
　　(5)非接触性。强脉冲激光辐照材料形成等离子体冲击波，向内传播过程中与待检测材料/部件相互作用，不存在物体与物体之间的直接接触。
　　上述特点使激光冲击波结合力检测技术在薄膜、涂层、复合材料的无损检测领域具有以下优势：
　　(1)参数设计性强。激光冲击波结合力检测参数(功率密度、脉冲宽度(简称“脉宽”)、光斑尺寸等)宽范围可调，可实现对冲击波时空参量的主动调控，从而满足不同部件的检测需求(检测标准、深度、位置等)。
　　(2)检测范围广。传统X射线、超声波等无损检测技术只能对材料内部物理缺陷损伤进行检测，无法对界面“吻接”和“弱黏接”等问题进行有效检测。激光冲击波结合力检测技术通过调控冲击波状态，可以对界面结合强度进行定量检测。
　　(3)适用性好。传统拉拔法、剪切法和弯*法等力学测试方法，设计难度大、流程复杂，既会损伤材料，又无法在线检测。激光冲击波结合力检测技术不需要专门设计试样、对部件无损且能对装备上部件进行在线检测。
　　(4)检测速度快。整个激光冲击波作用及材料响应过程持续时间在微秒量级，配合内部层裂在线监测和判断技术可实现界面结合力的无接触、快速检测。
　　(5)合格件无损检测。若材料界面结合强度大于检测标准(反射拉伸波应力水平)，不发生冲击层裂，则判定为合格品，此时材料内部未发生破坏损伤；反之，若界面发生冲击层裂，即材料界面结合强度达不到检测标准，则判定为不合格品(制造生产中)或危险件(服役中)，此时虽检测带来损伤，但发现的不合格品/危险件正好换下。
　　1.3激光冲击波基础理论
　　强脉冲激光与物质的相互作用是一个瞬态且复杂的物理过程，包括激光对物质的热作用，物质对激光的吸收、反射，激光在物质中的传播等，其影响因素主要包括波长、能量、脉宽、功率密度、时空分布形态等激光束特性，密度、热容、表面/几何状态等材料特性和外界环境。强脉冲激光与物质的相互作用过程是从入射激光被物质反射和吸收开始的，当激光辐照在靶材表面时，部分激光能量被周围气体和靶材表面所散射或反射，进入靶材表面的激光能量一部分被吸收，其余部分则穿透靶材继续传播，具体过程依赖于激光参数、材料特性和环境条件等。
　　被吸收的强脉冲激光会造成材料的加热、熔融、气化和等离子体化，该物理过程主要取决于激光的功率密度，一般按照激光功率密度的高低可分为以下四类(表1.1)：当激光功率密度在103～104W/cm2，材料表面吸收激光后主要表现为加热，属于热效应；当激光功率密度在104～106W/cm2，同样属于热效应，只是温升效果达到材料熔点，表现为材料熔融；当激光功率密度在106～108W/cm2，材料在剧烈温升下发生气化；当激光功率密度在108～1010W/cm2，材料在急剧高温下直接发生等离子体化，产生大量高温、高压的等离子体。
　　形成的电离气态的蒸汽和等离子体可以进一步吸收激光，在材料与激光之间造成屏蔽效应，并因等离子体急剧膨胀而形成等离子体冲击波。
　　被吸收的激光能量转化为激光持续冲击区域气体(或等离子体)的内能，与流体发生耦合，按照流体动力学的规律运动，这种吸收激光的气体或等离子体的传播运动，通常称为激光支持吸收波(laser supported absorption wave，LSAW)。在激光支持吸收波中，高振幅区的波阵面比低振幅区的波阵面传播得快，所以扰动波阵面在穿过物质时会变得“陡峭”，从而形成了冲击波。
　　根据冲击波相对于气体(蒸汽和环境气体)是以亚声速传播，还是以超声速传播，LSAW可以分为两类：以亚声速传播的LSAW称为激光支持燃烧波(laser supported combustion wave，LSCW)；以超声速传播的LSAW称为激光支持爆轰波(laser supported detonation wave，LSDW)。形成激光支持燃烧波或者爆轰波的现象，与不同的激光功率密度范围相对应：靶材表面气化较强时，靶蒸汽部分电离、加热，进而通过热辐射使前方冷空气也发生加热和电离，形成LSC波；随着激光功率密度增大，LSC波吸收区运动加快，吸收加强，直至与前方冲击波汇合，形成LSD波，这时构成对激光的完全吸收。
　　1.4激光冲击波结合力检测技术发展现状
　　激光冲击波结合力检测技术虽与激光冲击强化技术同源，均利用激光诱导的
　　高压冲击波，但其核心区别在于：激光冲击强化技术利用**波程的压缩波对材料表层进行改性强化；激光冲击波结合力检测技术则利用第二波程的反射拉伸波，通过精确控制使界面发生层裂，从而实现对界面结合强度的定量检测。激光冲击波结合力检测技术的研究对象由细胞薄膜开始，后来从金属逐渐向陶瓷、涂层和复合材料等发展。目前该技术相关研究集中在四个层面：①脉冲激光诱导冲击波特性；②冲击波传播规律与材料动态响应；③材料激光冲击层裂及损伤特征；
　　④界面结合强度检测方法。
　　1.4.1激光冲击波结合力检测技术的发展历程
　　1978年，Vossen提出了利用激光冲击波对涂层界面结合力进行测试的方法，Gupta提出了一种纳秒脉冲激光冲击薄膜的定量评估方法，并逐渐得到了研究人员重视，研究对象从金属逐渐向陶瓷、涂层和复合材料等发展。随着研究的深入，相关研究人员提出将激光层裂法应用于纤维增强复合材料构件界面结合强度的测量，其中主要有美国波音公司与LSPT公司合作开展的激光冲击波界面结合力检测技术研究，法国国家科学研究中心进行的激光胶接测试(laser adhesion test)研究，以及加拿大国家研究委员会提出的激光超声测试(laser ultrasonic test)研究[4]。
　　美国LSPT公司2001年开始激光冲击波结合力检测技术研发，截至2003年申请相关专利8项(公开的)，包括可调控高能激光器、高灵敏度检测探头、电磁超声胶带等方面；2006年，率先采用固体谐振腔+功率放大的技术路线研制了**代成套检测设备，并在平板型复合材料上进行了技术验证；2010年在焊接接头上实现了检测应用；2012年给美国波音公司交付了*套检测设备；2014年研制了可工程现场检测用的移动式检测设备，并在飞机蒙皮、风电叶片、特种涂层等结构上实现了工程化检测，实现了激光冲击波结合力检测技术工程应用。法国空中客车公司联合普瓦捷大学从2010年至今，开展了大量纤维增强树脂基复合材料激光冲击波传播特性规律与冲击层裂损伤研究，并结合有限元方法和任意反射面速度干涉仪系统(velocity interferometer system for any reflector，VISAR)或光子多普勒测速仪(photonic Doppler velocimeter，PDV)揭示了激光参数对层裂损伤特征及背面粒子速度(FSV)的影响规律，但由于设备限制，尚未实现工程应用。
　　我国起步较晚，2016年空**程大学在原有激光冲击强化设备及研究成果基础上，完成了复合材料和抗冲蚀涂层的激光冲击波结合力检测技术验证；2018年，空**程大学联合西安天瑞达光电技术股份有限公司、北京卓镭激光技术股份有限公司，创新性地采用种子源+调制+多级放大的技术路线，成功研制了激光冲击波结合力检测成套设备，目前正在自主设计研制可工程化应用的移动式设备。2019年开始，空**程大学联合西安交通大学、西北工业大学、南京航空航天大学、重庆交通大学、南昌航空大学、北京卓镭激光技术股份有限公司等相关单位开展技术基础与关键技术研究。
　　1.4.2激光冲击波结合力检测技术的关键研究进展
　　1.脉冲激光诱导冲击波特性
　　激光诱导等离子体冲击波的产生是一个非常复杂的瞬态过程，高功率(吉瓦量级)、短脉冲(纳秒量级)激光辐照在固体材料表面，在纳秒量级时间内产生吉帕量级压力的冲击波。美国、法国等国