[發(fā)明專利]基于激光驅(qū)動微球的材料動態(tài)力學(xué)性能測試裝置及方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210515144.5
• 申請日: 2022-05-11
• 公開（公告）號: CN114965101A
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡永祥;羅國虎;陳嘉宇;吳迪
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: G01N3/30
• 分類號: G01N3/30;G01N3/32;G01N3/06
• 代理公司: 上海漢聲知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

1.一種基于激光驅(qū)動微球的材料動態(tài)力學(xué)性能測試裝置，其特征在于，包括：激光光路模塊、微球發(fā)射模塊、靶體(11)、微球位置標(biāo)定模塊以及測速模塊；

所述激光光路模塊驅(qū)動所述微球發(fā)射模塊發(fā)射微球(10)；

所述微球位置標(biāo)定模塊設(shè)置在所述微球發(fā)射模塊的下方，用于選擇所述微球(10)；

所述微球發(fā)射模塊與所述靶體(11)之間設(shè)置有所述掩模版(17)，所述微球(10)能夠穿過所述掩模版(17)撞擊所述靶體(11)；

所述測速模塊用于實時測量所述微球(10)的運動速度，所述測速模塊包括測速相機(15)，所述測速相機(15)的焦平面與所述微球(10)運動軌跡所在平面相對應(yīng)。

2.如權(quán)利要求1所述的基于激光驅(qū)動微球的材料動態(tài)力學(xué)性能測試裝置，其特征在于，所述激光光路模塊包括脈沖激光器(1)與光束變換裝置(3)，所述脈沖激光器(1)用于發(fā)射脈沖激光束(2)，所述脈沖激光束(2)經(jīng)所述光束變換裝置(3)轉(zhuǎn)換為聚焦激光束(4)。

3.如權(quán)利要求2所述的基于激光驅(qū)動微球的材料動態(tài)力學(xué)性能測試裝置，其特征在于，所述微球發(fā)射模塊從上至下依次為透光支撐介質(zhì)(5)、犧牲層(6)、彈性層(7)以及分散微球陣列(8)；

所述聚焦激光束(4)輻照于所述犧牲層(6)上，驅(qū)動所述彈性層(7)變形，使所述彈性層(7)表面的單微球(10)彈出。

4.如權(quán)利要求3所述的基于激光驅(qū)動微球的材料動態(tài)力學(xué)性能測試裝置，其特征在于，所述掩模版(17)上設(shè)置有尺寸與所述微球(10)直徑相匹配的微孔陣列，所述微孔陣列用于制備所述分散微球陣列(8)。

5.如權(quán)利要求3所述的基于激光驅(qū)動微球的材料動態(tài)力學(xué)性能測試裝置，其特征在于，所述微球發(fā)射模塊一側(cè)設(shè)置有發(fā)射端位移臺(9)，所述發(fā)射端位移臺(9)用于調(diào)整所述微球發(fā)射模塊的位置，調(diào)控所述聚焦激光束(4)在所述犧牲層(6)表面的位置。

6.如權(quán)利要求1所述的基于激光驅(qū)動微球的材料動態(tài)力學(xué)性能測試裝置，其特征在于，所述靶體(11)的一側(cè)設(shè)置有接收端位移臺(12)，所述接收端位移臺(12)用于調(diào)整所述單微球(10)對所述靶體(11)的撞擊位置，調(diào)控所述微球發(fā)射模塊與所述靶體(11)的間距。

7.如權(quán)利要求1所述的基于激光驅(qū)動微球的材料動態(tài)力學(xué)性能測試裝置，其特征在于，所述掩模版(17)的一側(cè)設(shè)置有掩模版位移臺(18)，所述掩模版位移臺(18)用于調(diào)整所述掩模版(17)的位置，使所述掩模版(17)的微孔軸線與所述微球(10)的預(yù)飛行路徑重合。

8.如權(quán)利要求2所述的基于激光驅(qū)動微球的材料動態(tài)力學(xué)性能測試裝置，其特征在于，所述微球位置標(biāo)定模塊包括標(biāo)定端CCD相機(13)與標(biāo)定端位移臺(14)，所述標(biāo)定端CCD相機(13)用于選擇可獨立發(fā)射的所述微球(10)，所述標(biāo)定端位移臺(14)用于調(diào)整所述標(biāo)定端CCD相機(13)的位置，使所述標(biāo)定端CCD相機(13)與所述聚焦激光束(4)同軸。

9.如權(quán)利要求1所述的基于激光驅(qū)動微球的材料動態(tài)力學(xué)性能測試裝置，其特征在于，所述測速模塊還包括工控機(16)，所述工控機(16)用于計算所述微球(10)的運動速度。

10.一種基于激光驅(qū)動微球的材料動態(tài)力學(xué)性能測試方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1-9任一所述的基于激光驅(qū)動微球的材料動態(tài)力學(xué)性能測試裝置，包括如下步驟：

步驟S1：制備所述微球發(fā)射模塊的所述犧牲層(6)與所述彈性層(7)；

步驟S2：利用所述掩模版(17)的陣列微孔制備均勻分散微球陣列8；

步驟S3：所述聚焦激光束(4)燒蝕所述犧牲層(6)以產(chǎn)生可觀測的燒蝕圓斑，通過所述標(biāo)定端位移臺(14)移動所述標(biāo)定端CCD相機(13)視場中心對準(zhǔn)圓斑的中心位置，標(biāo)定脈沖激光軸心位置；

步驟S4：在所述標(biāo)定端CCD相機(13)的視野中選擇可獨立發(fā)射的所述微球(10)，通過調(diào)控所述發(fā)射端位移臺(9)使所述微球發(fā)射模塊表面的所述微球(10)移動至所述標(biāo)定端CCD相機(13)已標(biāo)定的激光軸心位置；

步驟S5：所述聚焦激光束(4)燒蝕所述犧牲層(6)，推動所述彈性層(7)變形，將單顆所述微球(10)彈射出，所述微球(10)飛行一段距離后撞擊所述靶體(11)，同時用所述測速模塊測量撞擊前后的所述微球(10)的速度；

步驟S6：在所述微球(10)撞擊所述靶體(11)后，根據(jù)所述微球(10)的撞擊速度損失與所述靶體(11)的材料撞擊形貌的關(guān)聯(lián)規(guī)律，定量評估材料動態(tài)力學(xué)性能；

步驟S7：改變脈沖激光能量，重復(fù)步驟S4至S6，獲得不同速度的所述微球(10)撞擊下所述靶體(11)材料的動態(tài)力學(xué)性能。