随着新材料技术的发展，耐高温材料在航空航天领域发挥着越来越重要的作用^[1-2]。目前，对材料的高温力学性能的研究尚不充分，主要原因是缺乏高温力学性能测试的相关装置^[3]。这些装置研制的主要难点是如何营造高温环境。国内外已经有很多学者针对这一问题开展了相关研究。比较常见的是采用环境辐照加热技术^[4-6]实现高温环境下材料的力学性能测试，这种方法具有温度场均匀，热惯性小，便于控制的优点。但是也有加热或冷却周期时间长，成本高，难维护等缺点。近几年，有学者采用通电电阻加热的技术实现了材料高温下的力学性能测试，这种方法的优点是温度均匀性好，升温速率较快。例如，哈尔滨工业大学的李明旭^[7]等人搭建了通电电阻加热的超高温力学性能试验系统，可以实现C/C复合材料从常温至3300 ℃的拉伸强度测试，最高温升速率达到40 ℃/s。但该方法的缺陷是只适用于导体，且夹具与试件结合部位往往存在较大的温度梯度。近几年，电磁感应加热技术也被运用于材料高温力学性能测试中^[8-9]。杨旭^[10]等人采用感应加热的方式研制了一套高温力学性能测试系统，最高温升速率达到800 ℃/min，实现了对石墨从常温至1000 ℃的测量。但是该方法同样只适用于导体，且加热过程中存在较大的温度梯度。石英灯、卤素灯等辐射式热环境模拟试验技术应用也较为普遍，该方法加热具有热惯性好，加热功率大等优点。北京航空航天大学的吴大方^[11]等人采用石英灯加热的方式，建立了一套超高温气动热环境试验模拟系统。但是该加热方法受石英灯加热管外石英玻璃融化温度的限制，加热的极限温度有限，一般为1400~1500 ℃。采用电弧风洞加热^[12]可以有效模拟各种不同的气动加热试验环境，但是大型风洞试验设备非常昂贵，运行维护成本很高，故主要用于大型结构件的试验研究。

激光加热材料具有温升率高、加热温度高、通用性好等优点。近几年，随着激光技术的不断发展，已经有不少学者开始采用激光加热的方式开展材料高温力学性能测试，获取材料在高温下的力学性能。例如，中国科学院力学研究所的宋宏伟等人^[13]建立了一套基于激光加热的高温力学性能试验系统，开展了材料在模拟火灾条件高温、高温升率条件下的力学性能的测试。中国飞机强度研究所的张宇^[14]等人采用激光加热搭建了一套高温力学性能试验系统，可以实现针对金属材料或复合材料在高温下的力学性能快速测试，上述工作均为将激光运用于材料高温力学性能测试提供了一种新的思路。但是由于传统的高斯激光束在加热面内功率密度分布存在差异，容易引起材料激光加热区域内存在较大温度梯度，导致测试得到的材料高温力学性能无法表征。因此，目前关于激光加热运用于材料高温力学性能的试验研究还未见公开报道。为此，笔者^[15]提出了采用均匀激光双面辐照加热试件的方法，将激光光斑匀化处理后，通过特殊的光路设计实现两束均匀激光光斑同时加热试件表面，待温度到达平衡后开展力学性能测试的方式，实现激光对材料的均匀加热，并最终将其运用于材料的高温力学性能测试中。文中尝试针对均匀化光斑加热方法开展理论分析与试验研究，探索开展适用于多种材料的热力耦合测试方法，为进一步建立基于激光加热的高温升率、超高温力学性能试验系统提供技术支持。

材料对激光的吸收通常可以等效为表面薄层的面吸收。传统高斯激光加热下材料温度分布不均主要有两个原因：一是传统高斯激光束在激光加热区域内功率密度分布有差异，导致激光加热过程中不能作为均匀的热流；二是激光属于表面加热，试件在厚度方向会存在一定的温度分布差异。从上述两个原因分析，针对传统的长条形力学测试试件，若采用双面均匀化激光加热的方式可以显著改善激光加热区域内的温度分布差异。图1（a）为均匀激光双面辐照加热试件的侧视图，给出了两面激光同时辐照试件同一区域前后表面的场景。双面均匀激光辐照加热材料本质上可以等效为两个均匀面热流从两面同时加热试件同一区域。图1（b）为激光入射方向的正视图，图中对激光加热区域、加热区域中心位置和实际测试区域进行了标注。为进一步保证激光加热的均匀性，实际力学性能测试的区域选取激光加热区域中温度较为均匀的区域。

图  1  均匀激光双面辐照加热试件示意图

Figure 1.  Schematic diagram of uniform double-sided laser irradiation heating specimen

材料在激光加热下至最终的热平衡，热边界条件为自由对流边界条件。主要考虑热传导、热对流和热辐射的影响，如公式(1)~(3)所示：

式中：ρ为材料的密度；c为材料的比热容；k为导热系数；T为温度；t为时间；α为材料对激光的吸收率；I为激光的瞬时功率密度；T₀为环境温度；h为对流换热系数；q_c为对流换热带走的热流；q_r为辐射散热的热流；ε为材料本身的发射率；σ为玻耳兹曼常数，5.67×10⁻⁸ W·m⁻²·K⁻⁴。

激光加热面的边界条件为：

为求解公式（1）~（4）联立的偏微分方程组，同时进一步量化分析不同激光参数加热下的控温精度，建立了双面均匀激光加热下材料表面温度计算的数值模型，模型网格划分如图2（a）所示。数值模型采用有限元法求解，模型中激光加热区域位于试件的中心。模型研究的试件形状为长条形，试件长宽方向的尺寸为250 mm×10 mm，加热的激光光斑尺寸为50 mm×10 mm，由于光斑在试件长度方向具有对称性，为节省计算量，模型只需计算长度方向从中心点至长度边缘1/2试件（125 mm×10 mm）的温度分布，如图2（b）所示。

图  2  建立的激光双面辐照有限元模型

Figure 2.  Finite element model of laser double-sided irradiation

图3给出了不考虑材料高温热解，激光双面辐照下1 mm厚的碳纤维环氧树脂层合板（CFRP）的典型温升曲线。结果表明，在双面均匀面热流10 W/cm²，激光加热区域为10 mm×50 mm的加热条件下，CFRP材料在激光加热中心区域内10 mm×10 mm范围内经激光辐照约36 s近似达到热平衡状态，材料初始温升速率约40 ℃/s，表面最高温度约693 ℃。激光加热区域内表面最高温度与试件内部中心位置最低温度之差约为25 ℃，温度均匀性良好。

图  3  激光双面辐照下CFRP典型温升曲线

Figure 3.  Typical temperature rise curves of CFRP under laser double-sided irradiation

为进一步说明试件厚度对激光加热下材料温度均匀性的影响，取试件加热面中心点与试件中间层的中心点的温度差异作为表征，计算了激光功率密度为10 W/cm²时，不同厚度CFRP材料在激光加热下温度达到稳态时的分布，如表1所示。

结果表明，随着试件厚度的增加，试件在厚度方向的温度梯度逐渐变大。若要采用双面均匀激光辐照实现对材料的均匀加热，试件的厚度应越小越好。从力学测试的角度看，将该方法运用于材料的高温拉伸性能测试是较好的选择。当试件的厚度在1 mm的范围内，加热时表层与内部的温度差异可以控制在3.5%以内。上述结果表明在一定控温精度要求范围内，双面激光辐照加热可以在试件加热区域内产生较均匀的温度场。

针对传统加热方式较难快速加热的T700/9A16碳纤维环氧树脂复合材料（CFRP）开展了高温拉伸强度测试研究。试中的试件尺寸为250 mm×10 mm×1 mm，单铺层厚度0.125 mm，共8层，铺层顺序为[0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°]，为方便力学加载，材料的两端粘贴有加强片，试件规格如图4所示。

图  4  试件规格

Figure 4.  Specifications of specimen

在激光器的选型上，试验中采用了多模光纤激光作为加热源，波长1080 nm。为实现激光光斑的匀化，文中使用多根光纤合束后经方形光纤输出激光的方式获取了较为均匀的方形光斑。图5为到靶光斑二维形貌及光斑中心横向和纵向剖面功率密度分布。

图  5  光斑二维形貌及剖面功率密度分布

Figure 5.  Two-dimensional morphology of speckle and power density distribution of profile

计算激光光斑匀化度的公式为：

式中：U为激光光斑的匀化度；I_max为激光加热区域内的最大光强；I_min为激光加热区域内的最小光强。通过上式计算，光斑匀化度为92.45%。说明激光光斑在加热面内的均匀性较好，激光可近似为一个均匀的面热流。

试验光路如图6所示。CFRP试件夹持于万能试验机的夹具上施加拉伸载荷，45 mm×45 mm的准直均匀方形激光光斑辐照于试件表面，剩余约35 mm×45 mm的光斑经全反镜反射辐照于试件的后表面。全反镜表面针对1080 nm激光镀膜，反射率可达99%以上，故可近似认为激光经全反镜反射后功率密度没有衰减，实现了等功率密度激光同时两面辐照试件同一区域的效果。由于CFRP在激光加热时的热解产气会阻挡部分入射激光能量，试验中在试件附近加装了排风扇去除其影响。试验中载荷加载与激光加热同时开始，万能试验机加载速率为4 mm/min，直至试件发生断裂，取试件发生断裂位置中心附近10 mm×10 mm区域内的热像仪记录平均温度作为测试温度的表征。

图  6  激光双面辐照加热试验场景

Figure 6.  Experimental scene of double-sided laser irradiation heating

试验中使用热像仪记录试件在激光加热下的温度变化，热像仪发射率设置为0.9。图7为激光加热过程中热像仪记录的典型图像，图中对试件沿中心横向和纵向的温度分布线进行了标注。从热像仪图像上可以看出，试件在激光加热下在横向与纵向均出现了轻微的热膨胀，试件在即将发生断裂时的热影响区范围较出光时刻明显变大。

图  7  热像仪记录的典型图像

Figure 7.  Typical image recorded by a thermal imager

图8给出了热像仪记录得到的激光加热下试件温度到达稳态后试件沿中心横向和纵向的典型温度分布，此时激光加热平均功率密度约为21.8 W/cm²。图中横坐标为长度，纵坐标为温度。结果表明，在边缘热对流较强的区域，横向温度相对较低。由于试件纵向存在热传导，故激光光斑边缘处纵向温度分布存在较大的温度差异，但在激光加热区域的中部，温度分布整体较为均匀。试件中心10 mm×10 mm范围内可以得到较为均匀的温度场，在后续的CFRP高温拉伸强度试验中，取该区域内的平均温度作为测试温度的表征。

图  8  典型温度分布

Figure 8.  Typical temperature distributions

图9为试件在激光加热过程中，表征测试温度的区域内最高温度、平均温度、最低温度的变化。结果表明，激光加热过程中，试件的最高温度与平均温度相差较小，说明激光加热的大部分区域内的温度一致性较好，最低温度出现在试件加装排风扇的一侧的边缘。

试件在加热的初始阶段温升速率约为88 ℃/s，加热超过400 ℃时，表面开始出现明显热解。继续加热至10 s时，当温度达到约700 ℃，试件开始出现明显火焰。当激光继续加热，试件热解完全后火焰逐渐消失。当试件发生断裂时，用于表征温度的测试区域内的温度已经基本达到稳态，整个高温强度测试过程持续约45 s。试件发生断裂时，加热区域内的平均温度为923 ℃，最低温度为860 ℃，最高温度953 ℃，最大温度波动范围为6.8%。

图  9  激光辐照下的温升曲线

Figure 9.  Temperature rise curves under laser irradiation

进一步地，调节不同的激光出光功率，改变试件在激光加热下的温升历程，基于相同的步骤测试得到激光加热至不同温度的CFRP材料拉伸强度。图10为红外热像仪记录得到的不同激光功率密度加热下的材料测试区域内从激光加热开始至发生断裂期间的温升历程。结果表明，当较低功率密度激光加热时（如功率密度1.3 W/cm²和2.9 W/cm²），由于试件温度没有达到热解温度，试件在激光加热下逐渐达到热平衡，温升规律与图3中的数值模型计算结果相近，且平衡温度随激光辐照功率密度的增加而增加。当功率密度较高时（如功率密度9.2 W/cm²和16.9 W/cm²），在激光加热的初期瞬时温度达到约400 ℃，试件开始剧烈放热，表面出现热解气体，热像仪记录的温度数据受热解气体的干扰出现抖动。当材料本身的放热结束后，试件在激光持续加热下温度进一步升高，最终在高温和拉伸载荷共同作用下断裂。激光加热功率密度越高，试件从开始加载到发生断裂的时间越短。

图11为基于文中方法测试得到的CFRP层合板高温拉伸强度。结果表明，在激光诱导的高温升速率加热下，随着温度的升高，试件的拉伸强度出现退化。温度持续升高的过程中，在某一阶段也可能出现拉伸强度的增强（如300 ℃左右），这一结论在其他文献中也有类似佐证^[4-6]，具体原因还有待进一步研究。随着温度的进一步升高，试件的强度开始出现剧烈下降。当温度达到450 ℃左右，试件的强度只有常温下的约30%。若温度继续升高到923 ℃以上，试件几乎不能承受拉伸力学载荷。受限于CFRP材料高温力学性能到923 ℃即接近失效的原因，试验中没有再进一步测试更高温度下CFRP拉伸强度，但文中系统对复合材料的极限测试温度还可大幅度提高。

图  10  不同激光功率密度下的CFRP典型温升曲线

Figure 10.  Typical temperature rise curves of CFRP with different laser power densities

图  11  基于激光加热的CFRP高温拉伸强度

Figure 11.  High temperature tensile strength of CFRP based on laser heating

试验结果同时表明，激光功率密度21.8 W/cm²可加热至约923 ℃，在此功率密度激光加热的温度下试件已接近完全失效，再进一步提高功率密度意义不大；考虑到传统的加热炉加热的方式较难实现300 ℃以上的高温力学性能测试，对应激光加热功率密度约为2.9 W/cm²。故分析认为激光功率密度2.9~21.8 W/cm²范围适合利用激光作为热源开展CFRP材料的高温力学性能测试。

图12为三个典型温度下（194 ℃、343 ℃和923 ℃）试件断裂后的形貌。从试件断裂的位置来看，试件在194 ℃下发生断裂的位置在激光加热区域的边缘，根据激光加热区域内中心高边缘低的温度分布结果，说明激光加热中心区域较高温度下的强度有可能高于边缘较低温度下的强度。温度343 ℃和923 ℃下，试件的断裂位置位于激光加热区域中温度最高的中心区域，说明该温度下拉伸强度随温度的升高下降明显。试件在194 ℃下呈现脆性断裂，断裂形貌与常温状态下拉伸强度试验相近。343 ℃下试件断裂呈硬质毛刷状，而923 ℃下试件断裂位置处的环氧树脂已几乎热解完全只剩下细软的碳纤维。

图  12  试件断裂形貌

Figure 12.  Fracture morphology of specimen

图13为343 ℃和194 ℃下试件断口横截面形貌。当温度较高时，试件在激光加热与载荷联合作用下逐渐断裂，断口呈毛刷状；在激光加热温度较低时，试件发生脆断，断口整齐。从断口横截面形貌看，无论何种温度下，试件断口处表面与内部形貌无明显差异，这也证明了试件在激光加热区域内沿厚度方向的温度均匀性较好。

图  13  试件断口横截面形貌

Figure 13.  Cross section morphology of specimen fracture

（1）文中研究了基于均匀化激光双面加热的热力耦合测试方法。建立的理论模型与数值模型表明，使用均匀化激光双面加热的方式能在试件特定加热区域内形成较为稳定的均匀温度场，对厚度为1 mm的CFRP试件温度波动可控制在3.5%以内，在一定的温控精度要求范围内，使用均匀化激光双面辐照的方式开展对CFRP一类较难加热的复合材料的高温力学性能测试具备可行性。

（2）在理论分析基础上，建立了光斑匀化度达92%的激光双面辐照热力耦合测试试验平台，针对T700/9 A16型CFRP层合板开展了双面均匀激光加热下的拉伸试验。试验结果表明，通过改变激光加热功率密度，可以快速测试得到CFRP试件从常温至923 ℃之间典型温度点下的拉伸强度。系统可实现对CFRP的快速均匀加热，温度达到923 ℃时，测试区域内最大温度波动为6.8%。T700/9 A16型CFRP层合板高温拉伸强度随温度的升高总体呈下降趋势，当温度达到923 ℃左右时已经几乎不能承受拉伸载荷，试件发生断裂的位置主要集中于激光加热中心区域内。但在温度持续升高的过程中，某一阶段也可能出现拉伸强度的增强（如300 ℃左右），此时试件受拉伸载荷发生断裂的位置在激光加热区域的边缘，相关机理值得进一步研究。

（3）文中提出的基于均匀化激光双面加热的热力耦合测试平台及相关测试方法相对传统加热方法具有通用性好、温升率高、测试温度高、测试效率高、无需设计特殊高温夹具、便于观察等一系列的优点。研究可为进一步建立基于激光加热的通用型高温升率、高温力学性能试验系统打下基础，为耐高温材料的高温、高温升率下的快速力学性能测试提供关键技术支撑。