《Acta Astronautica》：Unveiling the ablation mitigation mechanism of metal mesh reinforced Polytetrafluoroethylene composites under repetitive pulsed laser irradiation
编辑推荐：
激光推进中聚四氟乙烯复合材料的烧蚀特性研究表明，金属网增强PTFE在重复脉冲激光下表现出最稳定的质量损失和抑制烧蚀深度，其协同热力学机制包括侧向热传导、结构强化和熔融体约束。对比发现大孔金属网PTFE存在层状剥离，纯PTFE烧蚀深度大，铝粉复合PTFE结构完整性下降。该研究为高能激光推进推进剂设计提供了新策略。
马正学|欧阳|吴建军|刘星宇
国防科技大学航空航天科学与工程学院，中国湖南省长沙市德雅路109号，410073
摘要
对于微卫星而言，激光烧蚀推进技术受到聚四氟乙烯（PTFE）在重复脉冲激光照射下过大的质量损失和低耦合效率的制约。为了解决这一限制，我们系统地研究了四种推进剂配置的烧蚀行为：金属网增强型PTFE、大孔网/PTFE复合材料、纯PTFE以及铝粉/PTFE复合材料。在真空条件下使用脉冲激光，我们通过3D显微镜和扫描电子显微镜表征了表面形态、烧蚀深度和质量损失的时间演变过程。结果表明，金属网增强型PTFE表现出最稳定且线性的质量损失趋势，其烧蚀深度显著降低，这归因于涉及横向热扩散、结构增强和熔融PTFE限制的协同热机械机制。相比之下，大孔网复合材料由于各向异性热应力而出现层状剥落；纯PTFE形成了深孔坑；而铝粉复合材料仅表现出中等的烧蚀抗性，并且结构完整性受损。本研究证实，连续的金属网骨架能够有效减轻激光诱导的烧蚀效应，为高性能激光推进剂的设计提供了新的策略。
引言
激光烧蚀推进技术最早由Arthur Kantrowitz于1972年提出，这一推进方式已成为微卫星和纳米卫星应用中的一个有前景的概念，具有高比冲、系统简单以及使用绿色推进剂的潜力[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。其基本原理是将脉冲激光束聚焦到固体推进剂表面，产生高温高压等离子体羽流[3]、[6]，该羽流的膨胀产生推力，从而无需传统的化学推进剂[7]、[8]。
在发展过程中，Claude Phipps的团队做出了基础性的实验和理论贡献，系统分析了比冲、动量耦合系数与激光参数（如强度、脉冲宽度、波长）之间的关系，为性能预测和优化提供了关键见解[8]。研究方向逐渐分化为两大主流架构：一种是机载激光微推进器，将紧凑型激光器和推进剂集成到航天器上，适用于精确的姿态和轨道控制；另一种是远程光束推进，也称为“光飞船”，通过地面或其他平台发射激光束来推动远距离航天器，实现能源源与航天器质量之间的解耦[9]。随着激光技术、材料科学和诊断技术的进步，激光烧蚀推进的研究已从基础物理探索进入新的阶段，重点关注系统工程实现和具体应用验证[10]。
图1展示了激光与固体靶材相互作用的示意图。如图所示，当激光能量照射到固体靶材上时，激光能量被靶材吸收，加热表面下的一层薄层，从而导致表面温度持续升高[11]。在激光烧蚀过程中，靶材表面受到强烈激光照射，导致材料喷射和靶材内部电子的激发。通过碰撞，靶材颗粒的热运动不断加剧。当它们获得足够的动能时，会摆脱周围颗粒的束缚，经历熔化、蒸发和升华等物理过程，并伴随相应的质量转移。这最终导致靶材烧蚀表面的后退。当激光能量密度较高时，烧蚀颗粒会达到极高的温度，被激发并电离，随后在靶材表面附近形成等离子体羽流[12]。激光脉冲通过内部爆炸有效促进液滴的原子化和破碎，而不仅仅是加热，特别是在高功率和短持续时间下效果更为显著[13]。高温高压等离子体向后流动并喷射，从而产生推力，使卫星能够在太空中实现连续加速、姿态调整和轨道机动。
激光推进系统的性能本质上与固体推进剂的性质密切相关。在各种候选材料中，PTFE因其高的形成焓和能够生成清洁、高速等离子体的能力而受到广泛研究[5]、[14]、[15]、[16]、[17]。然而，纯PTFE在重复激光脉冲作用下会遭受显著的质量损失和低耦合系数，限制了其实际效率[18]。为了克服这些限制，研究人员尝试向PTFE中掺入各种能量添加剂。
研究表明，金属粉末（如铝）可以增强激光能量吸收并提高推进冲量。然而，粉末颗粒的随机分布往往导致烧蚀不均匀，并且不能提供对深层穿透和颗粒溅射的结构支撑。选择铝作为聚四氟乙烯的掺杂金属，是基于其独特的化学反应性和热性能组合。在高温下，铝容易与聚四氟乙烯反应生成AlF3和碳产物，释放大量热量，从而提高激光烧蚀效率。此外，铝在可见光到近红外光谱范围内具有较高的激光吸收系数，有助于在激光照射过程中有效转换能量。其高导热性和适中的比热容也有助于控制热量分布，防止局部过热[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。
最近，与分散粉末相比，结构化的金属网被引入作为PTFE基体中的增强框架[25]。初步研究表明，这种金属网增强可以显著提高激光推进应用中的烧蚀抗性和推进冲量特性[21]、[22]。连续的金属骨架被认为通过热效应和机械效应的结合发挥作用：它提供结构支撑，促进热传导，并可能减少熔融材料的损失。然而，金属网结构如何具体调控表面形态演变、抑制烧蚀加深以及与PTFE在重复激光脉冲作用下的相互作用，目前仍缺乏充分理解[28]、[29]、[30]、[31]、[32]。与其他典型推进剂配置的系统性实验比较尚缺乏，因此金属网增强的优越性和背后的物理机制仍不明确。
为了填补这一知识空白，本研究对四种不同的推进剂配置进行了比较激光烧蚀实验：金属网增强型PTFE复合材料、大孔金属网/PTFE复合材料、纯PTFE以及铝粉/PTFE混合物。研究重点关注表面形态随时间的变化、烧蚀深度和微观结构的变化。通过对烧蚀表面的定量分析，本研究旨在阐明金属网结构的优异性能，并揭示其增强烧蚀稳定性和抗性的耦合热机械机制。研究结果为高性能激光推进系统中先进结构推进剂的设计提供了具体的实验证据和基本见解。
实验设备与方法简介
实验中使用的激光器（Nimma-900）由北京瑞茂光电科技有限公司提供。其波长为1064纳米，脉冲宽度约为8纳秒，能量约为850毫焦耳，工作频率为1赫兹。激光束通过真空室的石英玻璃窗口进入室内，然后通过焦距为400毫米的凸透镜聚焦到靶材表面，形成直径约为0.9毫米的激光斑点。
表1
各种推进剂的烧蚀形态和质量分析
图5显示了四种推进剂在多个烧蚀周期内的质量损失情况。如图所示，所有四种推进剂的烧蚀质量都随着烧蚀周期的增加而逐渐增加，但它们的质量损失率存在显著差异。使用细孔铝网的样品1显示出最小的烧蚀质量，并且质量变化最为线性。样品2采用...
结论
我们使用三维显微镜和扫描电子显微镜研究了激光烧蚀推进剂的烧蚀深度、质量损失和表面形态的时空演变特性。通过实验比较发现：
推进剂表面最初呈现出铝网和聚四氟乙烯交错分布的平坦轮廓。随着烧蚀周期的增加，聚四氟乙烯区域逐渐加深
作者贡献声明
吴建军：监督、资金获取。欧阳：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论。马正学：撰写 – 原稿撰写、数据整理。刘星宇：可视化、软件处理
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号T2221002和52302085）和湖南省自然科学基金（编号2020JJ5402）的支持。
