Mejora de la eficiencia de conversión de energía de un volante impulsado por láser mediante una capa de nanoabsorción fabricada in situ
Resumen
Se prepararon in situ tres tipos de placas de volante de Al con diferentes capas de absorción nanoestructuradas mediante una tecnología de escritura láser directa para mejorar la eficiencia de conversión de energía en un conjunto de volante impulsado por láser. Se investigaron las microestructuras, la absorción de luz y la velocidad de vuelo en la cámara de aceleración. La reflectancia de los volantes a una longitud de onda de 1064 nm se puede reducir del 81,3 al 9,8% mediante la capa de absorción nanoestructurada. La velocidad terminal de un volante de Al de 50 μm de espesor irradiado por un pulso láser de 60 mJ es de 831 m / s, mientras que la velocidad del volante con una capa de nanoabsorción fabricada in situ alcanza hasta 1113 m / s en la misma condición. Como resultado, la eficiencia de conversión de energía del volante con una capa de absorción de nanoestructura puede alcanzar hasta 1,99 veces la del volante Al. Por lo tanto, la capa de absorción nanoestructurada preparada in situ en la superficie de un volante proporciona un nuevo método para mejorar significativamente la eficiencia de conversión de energía de un volante impulsado por láser.
Introducción
El volante impulsado por láser (LDF) utilizado para detonar explosivos ofrece un enfoque prometedor para la compresión de choque de pulso corto bien controlada de materiales de fase condensada [1, 2, 3, 4]. En una configuración de LDF, una lámina metálica delgada sostenida por un sustrato de ventana transparente a menudo se lanza mediante un láser pulsado de nanosegundos, una capa de la lámina metálica llamada capa de ablación se ablación generando plasmas de alta presión instantáneamente, y los plasmas luego impulsan los restos de la hoja de metal para volar a una velocidad de varios kilómetros por segundo como un volador. El aluminio metálico es ideal como material volante debido a su buena tenacidad y baja densidad. Sin embargo, dado que una gran fracción de energía se pierde debido a la alta reflexión del volante de aluminio puro, la eficiencia de conversión de energía del volante (definida como la relación entre la energía cinética del volante y la energía del láser incidente) es extremadamente baja, lo que ha limitado las aplicaciones prácticas del LDF [5, 6].
Se han realizado numerosos trabajos con el fin de mejorar la eficiencia de conversión energética de LDF. Teniendo en cuenta que la eficiencia de conversión de energía podría mejorarse mediante la introducción de una capa con una absorción más fuerte en la longitud de onda del láser incidente debido a la disminución de la reflexión [7], se han estudiado muchos materiales con una menor reflectividad en comparación con el aluminio puro como capa de absorción. Labaste y col. [8] y Brierley et al. [9] investigó varios materiales como capas de absorción para mejorar la eficiencia de conversión de energía y descubrió que la adición de Ge, Ti y Zn puede disminuir la reflexión y aumentar ligeramente la velocidad del volante. También se ha aplicado una sola capa de pintura negra como capa de absorción del volante, pero obviamente no se mejoró la velocidad. Dado que estos materiales de baja reflectancia sirven no solo como una capa de absorción sino también de ablación, mientras que la eficiencia del material de interacción depende de las propiedades ópticas y termodinámicas del material del volante [10], el aumento de la velocidad del volante es limitado.
Recientemente, el uso de nanomateriales plasmónicos para mejorar la absorción de luz a través de una excitación de resonancia de plasmón de superficie localizada (LSPR) ha atraído un interés considerable en los campos de los sensores espectroscópicos y la conversión de energía solar [11,12,13]. Las nanoestructuras de aluminio se pueden utilizar como sistemas de captación de luz porque cubren un amplio espectro desde la luz ultravioleta hasta la luz visible de LSPR [14,15,16,17]. Zhang y col. [18] encontró que se podría lograr una mejora del 40% en la absorción integrando las partículas de aluminio mediante el uso de simulaciones ópticas. Lee y col. [19] informó sobre una estrategia de diseño para lograr una plataforma robusta para la recolección de luz mejorada con plasmón utilizando nanoestructuras de núcleo-capa de aluminio, lo que resultó en un aumento notable en la conversión foto-química. Fan y col. [20] demostró una estrategia de procesamiento láser ultrarrápido para fabricar micro-nanoestructuras antirreflectantes altamente efectivas en superficies metálicas gruesas, y una reflectancia promedio de 4.1%, 2.4% y 3.2% en el espectro de banda ancha desde ultravioleta hasta infrarrojo cercano en Se lograron superficies de Cu, Ti y W, respectivamente. Sin embargo, hasta donde sabemos, no hay investigaciones sobre el uso de material nanoestructurado para mejorar la absorción del láser en LDF.
En este trabajo, proponemos una capa de absorción de aluminio nanoestructurado in situ preparada sobre la superficie de volantes finos de Al para mejorar la absorción del láser y la eficiencia de conversión de energía. Se utilizó una tecnología de escritura láser de femtosegundos denominada escritura láser directa para fabricar las nanoestructuras debido a su precisión, relativa simplicidad y alta tasa de rendimiento [21,22,23]. Se caracterizó la morfología y composición de la superficie de las nanoestructuras preparadas in situ y se probó su absorción de luz. Para evaluar la eficiencia de conversión energética de los flyers con capa de absorción nanoestructurada, los flyers se lanzaron utilizando láseres de un solo pulso y sus velocidades se obtuvieron mediante una velocimetría Doppler fotónica (PDV). Además, se calculó y discutió la energía cinética y la eficiencia de conversión de energía de los volantes.
Métodos experimentales
Preparación de la muestra
Como volante de referencia se utilizaron láminas de aluminio con un tamaño de 60 mm × 60 mm × 50 μm (ancho, largo y alto). Estas láminas se pulieron primero electroquímicamente para lograr una rugosidad media superficial baja. Las capas de absorción nanoestructuradas se prepararon in situ sobre la superficie de láminas de Al mediante un láser de escritura directo bajo una atmósfera de aire. La escritura láser directa utilizó un láser de femtosegundo polarizado (FX200-3-GFH, EdgeWave, Alemania) con una longitud de onda de 1030 nm, una duración de pulso de 600 fs y una tasa de repetición de 200 kHz. La potencia del láser de salida varió de 0 a 100 W. La Figura 1 ilustra el proceso de preparación de escritura láser directa para fabricar las muestras. Las nanoestructuras en la superficie de las láminas de Al se controlaron cambiando la potencia del láser de radiación y la velocidad y el período de exploración. Se prepararon tres muestras con diferentes capas de absorción nanoestructuradas (muestras A, B y C). La muestra A se irradió con pulsos de láser de 22,60 W con una velocidad de exploración de 1000 mm / s en y dirección y período de exploración de 25 μm. La muestra B se irradió con pulsos de láser de 13,82 W con una velocidad de exploración de 5000 mm / s en ambos x y y direcciones y período de exploración de 1 μm. La muestra C se irradió con pulsos de láser de 22,60 W con una velocidad de exploración de 8000 mm / s tanto en x y y direcciones y período de escaneo de 100 nm.
Esquemas del método de preparación de muestras
Métodos de caracterización
La morfología de la superficie de las muestras se caracterizó mediante microscopía electrónica de barrido (SEM, Ultra 55, Zeiss, Alemania) combinada con análisis de rayos X de energía dispersiva (EDX, Oxford, Gran Bretaña). La medición de la reflectividad óptica dependiente de la longitud de onda en la longitud de onda de 500 a 1500 nm para las muestras se llevó a cabo con un espectrofotómetro UV-VIS-NIR (SolidSpec-3700, Shimadzu, Japón) incorporado con una esfera integradora.
La Figura 2 ilustra las configuraciones experimentales utilizadas para lanzar el volante y caracterizar la velocidad del volante, ya que la velocidad es uno de los factores clave para estimar el rendimiento del volante. Se empleó un láser Nd:YAG de conmutación Q (Innolas SpitLight 400, longitud de onda de 1064 nm, longitud de pulso de 14 ns) para realizar la ablación y lanzar las muestras preparadas, y se aplicó un sistema PDV para medir la velocidad de vuelo de las muestras. La distribución de energía espacial del rayo láser se homogeneizó mediante una óptica difusiva, ya que el rayo enfocado en sí era muy no uniforme. El punto láser tenía un diámetro de 0,5 mm. En el experimento de velocimetría, las muestras se cortaron en trozos pequeños y se adhirieron a una ventana de zafiro con la capa nanoestructurada adherida a la ventana. Se utilizaron cámaras de aceleración de acero con un espesor de 0,2 mm y un diámetro interior de 0,6 mm. Se dispararon pulsos de láser único de sesenta milijulios sobre las muestras para producir volantes de vuelo rápido en la cámara de aceleración. Se colocó una fibra óptica conectada con el sistema PDV a la salida de la cámara de aceleración para registrar la velocidad del volador.
Esquemas del sistema de lanzamiento de volantes y del sistema de registro de velocidad de volantes (PDV)
Resultados y discusión
Microestructura de la capa de absorción
Las figuras 3a-f muestran la microestructura de la capa de absorción nanoestructurada de las muestras A, B y C. Dado que la muestra A fue irradiada por láseres ultrarrápidos en una dirección con una velocidad de exploración de v x =0 y v y =1000 mm / s, la superficie de la muestra A exhibe estructuras semi-periódicas, como se muestra en la Fig. 3a. Se observó una estructura nanoesférica para la muestra A en la Fig. 3d. Las nanoesferas con un diámetro de entre 50 y 200 nm se cubrieron con nanoesferas más pequeñas cuyos diámetros eran inferiores a 10 nm. Las muestras B y C se irradiaron en ambas direcciones y sus velocidades de exploración son mucho más altas que la muestra A; no se observaron estructuras periódicas evidentes en sus superficies, como se muestra en la Fig. 3b y c. En cuanto a la muestra B, se observaron muchas partículas en la escala de micrómetros en su superficie (Fig. 3b), y las partículas estaban compuestas por nanoestructuras de coliflor (Fig. 3e). Dado que la muestra C fue irradiada y escaneada a una velocidad aún mayor en comparación con las muestras A y B, la acumulación de nanopartículas fue mucho más rápida y el efecto de calor fue más prominente. En consecuencia, se observaron agregaciones de nanohojas y nanopartículas mucho más gruesas en la Fig. 3c y f. Y se produjeron múltiples grietas en la superficie debido a que surgieron tensiones relativamente altas durante el proceso de enfriamiento debido a la entrada de calor prominente.
un Imágenes SEM con × 1000 ampliadas para la muestra A. b Imágenes SEM con × 1000 ampliadas para la muestra B. c Imágenes SEM con × 1000 ampliadas para la muestra C. d Imágenes SEM con × 4000 ampliadas para la muestra A. e Imágenes SEM con × 4000 ampliadas para la muestra B. f Imágenes SEM con × 4000 ampliadas para la muestra C. g EDX para la muestra A. h EDX para la muestra B. i EDX para la muestra C
La Figura 3g – i son los resultados del análisis de rayos X de dispersión de energía (EDX) para las muestras A, B y C, respectivamente. El EDX mostró la presencia de Al 2 O 3 óxidos en la composición de nanoestructuras. Los óxidos se formaron debido a la oxidación del aluminio durante el proceso de escritura con láser. Los contenidos de oxígeno de las muestras A, B y C fueron 2,2, 8,4 y 22,9% en átomos, respectivamente. Aparentemente, las muestras B y C tenían un contenido de oxígeno mucho mayor en comparación con la muestra A, mientras que la potencia del láser de irradiación para la muestra B (13,82 W) fue menor que la de la muestra A (22,60 W) y la potencia del láser de irradiación para las muestras A y C fue idéntico, lo que indica que la velocidad de escaneo y el período de escaneo influyen significativamente en la generación y disipación de calor durante la escritura láser directa. Y la oxidación aumenta con el aumento de la velocidad de escaneo y la disminución del período de escaneo.
Absorción de luz de las muestras
La Figura 4a muestra las apariencias de microscopio óptico de la hoja de Al y los volantes con una capa de absorción nanoestructurada. El color de la lámina de aluminio es blanco plateado. Con la adición de una capa de absorción nanoestructurada, las muestras A, B y C exhiben colores gris, negro y negro oscuro, lo que indica que se puede absorber más luz con la capa de absorción. La reflectancia de la hoja de aluminio y las muestras A, B y C se prueba con un espectrofotómetro, y las mediciones se repiten dos veces para cada muestra. La Figura 4b muestra el espectro de reflectancia de la hoja de Al y el volante de aluminio con capa de absorción de nanoestructura. Dado que el espesor de transmisión de la luz infrarroja a través de los metales a menudo varía de unas pocas decenas de nanómetros a varios cientos de nanómetros [24], ninguna parte de la luz se transmitió a través de las muestras de láminas de Al cuyo espesor era de 50 µm. Y la luz dispersa se incluyó en la luz reflejada en la medición utilizando una esfera integral. En consecuencia, la absorción podría calcularse mediante 1-R (reflectancia). Las diferencias fueron evidentes entre la lámina de Al y el volante de aluminio con una capa de absorción nanoestructurada. La reflectancia de la lámina de Al fue del 81,3% a la longitud de onda del láser de 1064 nm, lo que indica que se reflejó el 81,3% de la luz de incidencia. La reflectancia media se puede reducir al 50,5%, 31,5% y 9,8% para las muestras A, B y C, respectivamente. Por lo tanto, la absorción de luz se puede mejorar de manera efectiva con la capa de absorción de nanoestructura preparada por escritura láser directa. La muestra C tiene la absorción más fuerte (90,2%) a 1064 nm en comparación con las muestras A y B. Aparte del efecto de las nanoestructuras, creemos que el óxido de aluminio presente en las nanoestructuras también influye enormemente en la absorción de luz del volante. Generalmente, Al 2 O 3 es transparente y no absorbe la luz; sin embargo, en un proceso de escritura láser directo, es muy posible que el Al 2 generado O 3 y partículas de aluminio para formar una estructura de metal-dieléctrico-metal. La estructura se comporta como una cavidad F-P que, a su vez, mejorará la resonancia del plasmón superficial y aumentará la absorción de luz [25]. Como las concentraciones de oxígeno de las muestras A y B son mucho menores que las de la muestra C, lo que implica que el Al 2 O 3 Las partículas son más ricas en la muestra C que otras muestras, como resultado, se puede lograr un efecto de resonancia de plasmón superficial más mejorado y una absorción mucho más fuerte.
un Apariencia de microscopio óptico de láminas de Al y muestras A, B y C. b El espectro de reflectancia de la lámina de Al y las muestras A, B y C
Velocidad del volante
La Figura 5 muestra las velocidades de vuelo de la hoja de aluminio y las muestras A, B y C. Al comienzo de 30 ns, la velocidad de vuelo aumenta bruscamente. Posteriormente, la velocidad del volante aumenta gradualmente a partir de 30 a 200 ns, y apenas cambia cuando el tiempo supera los 200 ns. La velocidad de vuelo terminal para las muestras A, B y C es 1083 m / s, 1173 m / sy 1110 m / s, respectivamente, que es aproximadamente 1,30, 1,41 y 1,33 veces mayor que la de la lámina de aluminio (831 Sra). Estos resultados confirmaron que la adición de una capa nanoestructurada in situ no solo puede mejorar la absorción de luz sino también promover la velocidad del volante. Vale la pena mencionar que la velocidad de vuelo de la muestra B es más alta que la de la muestra C, mientras que la muestra C tiene la absorción de luz más fuerte. La razón es que la muestra C tiene un Al 2 mucho más rico O 3 contenido en comparación con la muestra B. Se formó un enlace iónico y un enlace metálico en Al 2 O 3 y Al, respectivamente. Y se sabía que el enlace iónico era mucho más fuerte que el enlace metálico, lo que hace que el punto de vaporización y el punto de fusión del Al 2 O 3 más alto que Al. El punto de fusión y el punto de vaporización del Al 2 O 3 son 2054 ° C y 2980 ° C, mientras que el punto de fusión y el punto de vaporización del Al son 660 ° C y 2519 ° C, respectivamente. Además, la conductividad térmica es de 29,3 W / m K y 237 W / m K para Al 2 O 3 y Al. Por lo tanto, es más difícil para Al 2 O 3 vaporizar y formar plasma en el láser pulsado incidente debido a su alto punto de fusión y baja conductividad térmica en comparación con el aluminio puro [26]. Por lo tanto, aunque la absorción de luz es mejorada por Al 2 O 3 en la muestra C, mientras tanto, Al 2 O 3 consume parte de la energía del láser incidente mientras que no ayuda a conducir el volante.
un Las velocidades de vuelo de la lámina de Al y las muestras A, B y C en la cámara de aceleración obtenidas con PDV. b Las velocidades de vuelo terminales de la lámina de aluminio y las muestras A, B y C
La energía cinética de los volantes se puede obtener mediante la siguiente relación:
$$ E =\ frac {\ left ({m} _f- {m} _a \ right) {v} ^ 2} {2} $$ (1)donde m f es la masa del volante original y m a representa la masa volante ablacionada. Además, asumimos que el volante mantiene un estado integrado durante el proceso de vuelo. La masa del volante ablacionada se puede evaluar de acuerdo con el modelo de Lawrence y Trott [27].
$$ {m} _a =\ frac {\ pi {r} ^ 2} {\ mu _ {\ mathrm {eff}}} \ ln \ frac {\ mu _ {\ mathrm {eff}} {I} _0 \ left ( 1-k \ right)} {\ varepsilon_d} $$ (2)donde r es el radio del volante, μ ef es el índice de absorción efectivo, I 0 es la intensidad del láser incidente, k es el índice de pérdida de energía y ε d es la energía de vaporización.
La eficiencia de conversión de energía del volante se puede denotar mediante la siguiente ecuación:
$$ \ xi =\ frac {E _ {\ mathrm {f}}} {E _ {\ mathrm {l}}} $$ (3)donde ξ denota la eficiencia de conversión de energía del volante, E f representa la energía cinética del volante, y E l representa la energía láser incidente.
Los resultados calculados de la energía cinética del volante y la eficiencia de conversión de energía se ilustraron en la Fig. 6. La eficiencia de conversión de energía para las muestras A, B y C es 36.8%, 43.2% y 38.6%, respectivamente, que es 1.70, 1.99, y 1,78 veces la de la hoja de Al (21,7%). En este trabajo, cuando se agrega una capa de absorción nanoestructurada sobre una lámina de Al, la mayor eficiencia de conversión de energía casi se duplicó. Los resultados experimentales se resumen en la Tabla 1. Por lo tanto, la fabricación in situ de una capa de absorción nanoestructurada en la superficie de un volante proporciona un nuevo método para mejorar significativamente la eficiencia de conversión de energía de un LDF.
La energía cinética calculada y la eficiencia de conversión de energía de la lámina de Al y las muestras A, B y C
Conclusiones
Las capas de absorción nanoestructuradas se prepararon con éxito in situ sobre la superficie de láminas delgadas de Al mediante tecnología de escritura láser directa. Además, demostramos que mediante el control de la inyección del pulso láser, se pueden realizar las características estructurales tanto a microescala como a nanoescala. En consecuencia, se puede realizar una disminución sustancial en la reflectividad de la luz y una mejora significativa en la absorción de la luz. Al preparar in situ la capa de nanoabsorción sobre la superficie de una lámina de Al, la absorción de luz se puede aumentar del 18,7 al 90,2%. El aumento de la absorción de luz resultará a su vez en un aumento evidente en la velocidad y la energía cinética de un volante impulsado por láser. La conversión de energía del volante con capa de absorción nanoestructurada se puede mejorar significativamente en comparación con la lámina de Al, la conversión máxima de energía en este estudio alcanza hasta un 43,2%, que es 1,99 veces la de la lámina de Al (21,7%). Por lo tanto, la capa de absorción de nanoestructura de aluminio in situ preparada en la superficie del volante proporciona un nuevo método para aumentar la absorción de energía láser y mejorar la eficiencia de conversión de energía de un LDF. Además, la tecnología de preparación in situ presente en este trabajo también es prometedora en los campos de la fotoquímica, la detección, los fotodetectores y la óptica cuántica.
Disponibilidad de datos y materiales
Todos los autores declaran que los materiales, datos y protocolos asociados están disponibles para los lectores, y todos los datos utilizados para el análisis están incluidos en este artículo.
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