Melhorando a Eficiência de Conversão de Energia de um Panfleto Acionado a Laser por uma Camada de Nanoabsorção Fabricada In Situ

Resumo

Três tipos de placas flyer de Al com diferentes camadas de absorção nanoestruturada foram preparadas in situ por uma tecnologia de gravação direta a laser para melhorar a eficiência de conversão de energia em um conjunto flyer acionado a laser. Microestruturas, absorção de luz e velocidade do flyer na câmara de aceleração foram investigadas. A refletância para os panfletos no comprimento de onda de 1064 nm pode ser reduzida de 81,3 para 9,8% pela camada de absorção nanoestruturada. A velocidade terminal de um flyer de Al de 50 μm de espessura irradiado por um pulso de laser de 60 mJ é de 831 m / s, enquanto a velocidade do flyer com uma camada de nanoabsorção fabricada in situ atinge até 1113 m / s em a mesma condição. Consequentemente, a eficiência de conversão de energia do flyer com uma camada de absorção de nanoestrutura pode chegar a até 1,99 vezes a do flyer de Al. Portanto, a camada de absorção nanoestruturada in situ preparada na superfície de um flyer fornece um novo método para melhorar significativamente a eficiência de conversão de energia de um flyer acionado a laser.

Introdução

Folheto acionado a laser (LDF) usado para detonar explosivos oferece uma abordagem promissora para compressão de choque de pulso curto e bem controlada de materiais de fase condensada [1,2,3,4]. Em uma configuração LDF, uma folha de metal fina suportada por um substrato de janela transparente é frequentemente lançada por um laser pulsado de nanossegundo, uma camada da folha de metal chamada de camada de ablação é ablacionada gerando plasmas de alta pressão instantaneamente, e os plasmas então conduzem os restos da folha de metal para voar a uma velocidade de vários quilômetros por segundo como um voador. O alumínio metálico é ideal como material insecto devido à sua boa tenacidade e baixa densidade. No entanto, uma vez que uma grande fração de energia é perdida devido à alta reflexão do flyer de alumínio puro, a eficiência de conversão de energia do flyer (definida como a razão entre a energia cinética do flyer e a energia do laser incidente) é extremamente baixa, o que tem muito limitou as aplicações práticas do LDF [5, 6].

Muitos trabalhos foram realizados com o objetivo de melhorar a eficiência de conversão de energia de LDF. Considerando que a eficiência da conversão de energia pode ser melhorada pela introdução de uma camada com absorção mais forte no comprimento de onda do laser incidente devido à diminuição da reflexão [7], muitos materiais com menor refletividade em comparação ao alumínio puro têm sido estudados como camada de absorção. Labaste et al. [8] e Brierley et al. [9] investigaram vários materiais como camadas de absorção para melhorar a eficiência de conversão de energia e descobriram que a adição de Ge, Ti e Zn pode diminuir a reflexão e aumentar ligeiramente a velocidade do flyer. Uma única camada de tinta preta também foi aplicada como camada de absorção do flyer, mas a velocidade não foi obviamente melhorada. Uma vez que esses materiais de baixo reflexo servem não apenas como uma camada de absorção, mas também de ablação, enquanto a eficiência do material de interação depende das propriedades ópticas e termodinâmicas do material do flyer [10], o aumento da velocidade do flyer é limitado.

Recentemente, o uso de nanomateriais plasmônicos para melhorar a absorção de luz por meio de uma excitação de ressonância plasmônica de superfície localizada (LSPR) tem atraído considerável interesse nas áreas de sensores espectroscópicos e conversão de energia solar [11,12,13]. As nanoestruturas de alumínio podem ser usadas como sistemas de coleta de luz porque cobrem um amplo espectro de luz ultravioleta à luz visível de LSPR [14,15,16,17]. Zhang et al. [18] descobriram que um aumento de 40% na absorção poderia ser alcançado integrando as partículas de alumínio usando simulações ópticas. Lee et al. [19] relataram uma estratégia de projeto para alcançar uma plataforma robusta para a coleta de luz aprimorada por plasmon usando nanoestruturas de núcleo-casca de alumínio, o que resultou em um aumento notável na conversão foto-química. Fan et al. [20] demonstraram uma estratégia de processamento a laser ultrarrápida para a fabricação de micro-nanoestruturas anti-reflexo altamente eficazes em superfícies de metal espessas e uma refletância média de 4,1%, 2,4% e 3,2% no espectro de banda larga do ultravioleta ao infravermelho próximo em Superfícies de Cu, Ti e W, respectivamente, foram alcançadas. No entanto, até onde sabemos, não há pesquisas sobre o uso de material nanoestruturado para melhorar a absorção do laser em LDFs.

Neste trabalho, propomos uma camada de absorção de alumínio nanoestruturada in situ preparada na superfície de finas placas de Al para melhorar a absorção do laser e a eficiência de conversão de energia. Uma tecnologia de gravação a laser de femtossegundo denominada gravação a laser direta foi utilizada para fabricar as nanoestruturas devido à sua precisão, relativa simplicidade e alta taxa de rendimento [21,22,23]. A morfologia e composição da superfície das nanoestruturas preparadas in situ foram caracterizadas e sua absorção de luz foi testada. Para avaliar a eficiência de conversão de energia dos voadores com camada de absorção nanoestruturada, os voadores foram lançados com lasers de pulso único e suas velocidades obtidas por Doppler fotônico velocimetria (PDV). Além disso, a energia cinética e a eficiência de conversão de energia dos folhetos foram calculadas e discutidas.

Métodos Experimentais

Preparação da amostra

Folhas de alumínio com tamanho de 60 mm × 60 mm × 50 μm (largura, comprimento e altura) foram utilizadas como insecto de referência. Essas folhas foram primeiro polidas eletroquimicamente para atingir uma rugosidade média superficial baixa. As camadas de absorção nanoestruturadas foram então preparadas in situ na superfície das folhas de Al por um laser de gravação direta sob uma atmosfera de ar. A escrita direta do laser usou um laser de femtossegundo polarizado (FX200-3-GFH, EdgeWave, Alemanha) com comprimento de onda de 1030 nm, duração de pulso de 600 fs e taxa de repetição de 200 kHz. A potência do laser de saída variou de 0 a 100 W. A Figura 1 ilustra o processo de preparação de gravação direta a laser para fabricar as amostras. As nanoestruturas na superfície das folhas de Al foram controladas alterando a potência do laser de radiação e a velocidade e período de varredura. Três amostras com diferentes camadas de absorção nanoestruturadas (amostras A, B e C) foram preparadas. A amostra A foi irradiada por pulsos de laser de 22,60 W com velocidade de varredura de 1000 mm / s no y direção e período de varredura de 25 μm. A amostra B foi irradiada por pulsos de laser de 13,82 W com velocidade de varredura de 5000 mm / s em ambos x e y direções e período de varredura de 1 μm. A amostra C foi irradiada por pulsos de laser de 22,60 W com velocidade de varredura de 8000 mm / s em ambos x e y direções e período de varredura de 100 nm.

Esquema do método de preparação de amostra

Métodos de caracterização

A morfologia da superfície das amostras foi caracterizada por microscopia eletrônica de varredura (SEM, Ultra 55, Zeiss, Alemanha) combinada com análise de energia dispersiva de raios-X (EDX, Oxford, Grã-Bretanha). A medição da refletividade ótica dependente do comprimento de onda no comprimento de onda de 500 a 1500 nm para as amostras foi realizada com um espectrofotômetro UV-VIS-NIR (SolidSpec-3700, Shimadzu, Japão) incorporado com uma esfera integradora.

A Figura 2 ilustra as configurações experimentais usadas para lançar o flyer e caracterizar a velocidade do flyer, uma vez que a velocidade é um dos principais fatores para estimar o desempenho do flyer. Um laser Nd:YAG Q-comutado (Innolas SpitLight 400, comprimento de onda de 1064 nm, comprimento de pulso de 14 ns) foi empregado para remover e lançar as amostras preparadas, e um sistema PDV é aplicado para medir a velocidade do flyer das amostras. A distribuição espacial da energia do feixe de laser foi homogeneizada por uma ótica difusiva, uma vez que o próprio feixe focalizado era altamente não uniforme. O ponto de laser tinha um diâmetro de 0,5 mm. No experimento de velocimetria, as amostras foram cortadas em pequenos pedaços e coladas em uma janela de safira com a camada nanoestruturada agarrada à janela. Foram utilizadas câmaras de aceleração de aço com espessura de 0,2 mm e diâmetro interno de 0,6 mm. Pulsos de laser único de sessenta milijoules foram disparados nas amostras para produzir velozes voadores na câmara de aceleração. Uma fibra óptica conectada ao sistema PDV foi colocada na saída da câmara de aceleração para registrar a velocidade do passageiro.

Esquemas do sistema de lançamento do flyer e sistema de registro de velocidade do flyer (PDV)

Resultados e discussão

Microestrutura da camada de absorção

A Figura 3a-f mostra a microestrutura da camada de absorção nanoestruturada das amostras A, B e C. Uma vez que a amostra A foi irradiada por lasers ultrarrápidos em uma direção com uma velocidade de varredura de v _x =0 e v _y =1000 mm / s, a superfície da amostra A exibe estruturas semiperiódicas, como mostrado na Fig. 3a. Uma estrutura nano-esférica foi observada para a amostra A na Fig. 3d. As nanoesferas com cerca de 50–200 nm de diâmetro foram cobertas por nano esferas menores cujos diâmetros eram menores que 10 nm. As amostras B e C foram irradiadas em ambas as direções e suas velocidades de varredura são muito maiores do que a amostra A; nenhuma estrutura periódica evidente foi observada em suas superfícies, como mostrado nas Fig. 3b e c. Já para a amostra B, muitas partículas na escala de micrômetros foram observadas em sua superfície (Fig. 3b), e as partículas eram compostas por nanoestruturas de couve-flor (Fig. 3e). Como a amostra C foi irradiada e digitalizada em uma velocidade ainda maior em comparação com as amostras A e B, o acúmulo de nanopartículas foi muito mais rápido e o efeito do calor foi mais proeminente. Consequentemente, nano-folhas e agregações de nanopartículas muito mais espessas foram observadas na Fig. 3c e f. E várias rachaduras ocorreram na superfície porque uma tensão relativamente alta emergiu durante o processo de resfriamento devido à entrada de calor proeminente.

a Imagens SEM com × 1000 ampliadas para a amostra A. b Imagens SEM com × 1000 ampliadas para a amostra B. c Imagens SEM com × 1000 ampliadas para a amostra C. d Imagens SEM com × 4000 ampliadas para a amostra A. e Imagens SEM com × 4000 ampliadas para a amostra B. f Imagens SEM com × 4000 ampliadas para a amostra C. g EDX para a amostra A. h EDX para a amostra B. i EDX para a amostra C

A Figura 3g – i são os resultados da análise de energia dispersiva de raios-X (EDX) para as amostras A, B e C, respectivamente. O EDX mostrou a presença de Al ₂ O ₃ óxidos na composição de nanoestruturas. Os óxidos foram formados devido à oxidação do alumínio durante o processo de gravação a laser. Os conteúdos de oxigênio das amostras A, B e C foram 2,2, 8,4 e 22,9% de átomos, respectivamente. Aparentemente, as amostras B e C tinham teor de oxigênio muito maior em comparação com a amostra A, enquanto a potência do laser de irradiação para a amostra B (13,82 W) foi menor do que para a amostra A (22,60 W) e a potência do laser de irradiação para as amostras A e C foi idênticos, indicando que a velocidade de varredura e o período de varredura influenciam significativamente a geração e dissipação de calor durante a gravação direta a laser. E a oxidação aumenta com o aumento da velocidade de varredura e diminuição do período de varredura.

Absorção de luz das amostras

A Figura 4a mostra as aparências do microscópio óptico de folha de Al e os folhetos com uma camada de absorção nanoestruturada. A cor do alumínio é branco prateado. Com a adição de uma camada de absorção nanoestruturada, as amostras A, B e C exibem as cores cinza, preto e preto escuro, indicando que mais luz pode ser absorvida com a camada de absorção. A refletância da folha de Al e das amostras A, B e C é testada por um espectrofotômetro e as medições são repetidas duas vezes para cada amostra. A Figura 4b mostra o espectro de refletância da folha de Al e do flyer de alumínio com camada de absorção de nanoestrutura. Uma vez que a espessura de transmissão da luz infravermelha através dos metais frequentemente varia de algumas dezenas de nanômetros a várias centenas de nanômetros [24], portanto, nenhuma luz foi transmitida através das amostras de folha de Al cuja espessura era de 50 μm. E a luz espalhada foi incluída na luz refletida na medição usando uma esfera integral. Consequentemente, a absorção pode ser calculada por 1-R (refletância). As diferenças foram evidentes entre a folha de Al e o insecto de alumínio com uma camada de absorção nanoestruturada. A refletância da folha de Al foi de 81,3% no comprimento de onda do laser de 1064 nm, indicando que 81,3% da luz de incidência foi refletida. A refletância média pode ser reduzida para 50,5%, 31,5% e 9,8% para as amostras A, B e C, respectivamente. Portanto, a absorção de luz pode ser efetivamente aprimorada com a camada de absorção de nanoestrutura preparada por gravação direta a laser. A amostra C tem a absorção mais forte (90,2%) a 1064 nm em comparação com as amostras A e B. Além do efeito das nanoestruturas, acreditamos que o óxido de alumínio apresentado nas nanoestruturas também influencia tremendamente a absorção de luz do flyer. Geralmente, Al ₂ O ₃ é transparente e não absorve luz; no entanto, em um processo de gravação a laser direto, é altamente possível para o Al ₂ gerado O ₃ e partículas de alumínio para formar uma estrutura metal-dielétrica-metal. A estrutura se comporta como uma cavidade F-P que, por sua vez, aumenta a ressonância do plasmão de superfície e aumenta a absorção de luz [25]. Como as concentrações de oxigênio das amostras A e B são muito menores do que as da amostra C, implicando que o Al ₂ O ₃ as partículas são mais ricas na amostra C do que outras amostras, resultando em um efeito de ressonância de plasmon de superfície mais aprimorado e uma absorção muito mais forte.

a Aparências ao microscópio óptico de folha de alumínio e amostras A, B e C. b O espectro de refletância da folha de Al e das amostras A, B e C

Velocidade do folheto

A Figura 5 mostra as velocidades do flyer de folha de Al e das amostras A, B e C. No início de 30 ns, a velocidade do flyer aumenta drasticamente. Posteriormente, a velocidade do passageiro aumenta gradualmente começando de 30 a 200 ns, e dificilmente muda quando o tempo excede 200 ns. A velocidade do flyer terminal para as amostras A, B e C é 1083 m / s, 1173 m / s e 1110 m / s, respectivamente, que é cerca de 1,30, 1,41 e 1,33 vezes maior do que a folha de Al (831 em). Esses resultados confirmaram que a adição de uma camada nanoestruturada in situ pode não apenas aumentar a absorção de luz, mas também promover a velocidade do flyer. Vale a pena mencionar que a velocidade do flyer para a amostra B é maior do que a amostra C, enquanto a amostra C tem a absorção de luz mais forte. O motivo é que a amostra C tem um Al ₂ muito mais rico O ₃ conteúdo em comparação com a amostra B. Ligação iônica e ligação de metal foi formada em Al ₂ O ₃ e Al, respectivamente. E sabia-se que a ligação iônica era muito mais forte do que a ligação metálica, o que torna o ponto de vaporização e o ponto de fusão do Al ₂ O ₃ maior do que Al. O ponto de fusão e ponto de vaporização para Al ₂ O ₃ são 2054 ° C e 2980 ° C, enquanto o ponto de fusão e ponto de vaporização do Al são 660 ° C e 2519 ° C, respectivamente. Além disso, a condutividade térmica é 29,3 W / m K e 237 W / m K para Al ₂ O ₃ e Al. Portanto, é mais difícil para Al ₂ O ₃ para vaporizar e formar plasma no laser pulsado incidente devido ao seu alto ponto de fusão e baixa condutividade térmica em comparação com o alumínio puro [26]. Portanto, embora a absorção de luz seja aumentada por Al ₂ O ₃ na amostra C, entretanto, Al ₂ O ₃ consome parte da energia do laser incidente, embora não ajude a dirigir o passageiro.

a As velocidades do flyer de folha de Al e amostras A, B e C na câmara de aceleração obtidas usando PDV. b As velocidades terminais da folha de alumínio e as amostras A, B e C

A energia cinética dos voadores pode ser obtida pela seguinte relação:
$$ E =\ frac {\ left ({m} _f- {m} _a \ right) {v} ^ 2} {2} $$ (1)
onde m _f é a massa do voador original e m _a representa a massa do insecto ablacionado. Além disso, assumimos que o passageiro mantém um estado integrado durante o processo de voo. A massa do insecto ablacionado pode ser avaliada de acordo com o modelo de Lawrence e Trott [27].
$$ {m} _a =\ frac {\ pi {r} ^ 2} {\ mu _ {\ mathrm {ef}}} \ ln \ frac {\ mu _ {\ mathrm {ef}} {I} _0 \ left ( 1-k \ right)} {\ varepsilon_d} $$ (2)
onde r é o raio do flyer, μ _eff é o índice de absorção efetiva, I ₀ é a intensidade do laser incidente, k é o índice de perda de energia, e ε _d é a energia de vaporização.

A eficiência de conversão de energia do flyer pode ser denotada usando a seguinte equação:
$$ \ xi =\ frac {E _ {\ mathrm {f}}} {E _ {\ mathrm {l}}} $$ (3)
onde ξ denota a eficiência de conversão de energia do flyer, E _f representa a energia cinética do voador, e E _l representa a energia do laser incidente.

Os resultados calculados da energia cinética do flyer e da eficiência de conversão de energia foram ilustrados na Fig. 6. A eficiência de conversão de energia para as amostras A, B e C é 36,8%, 43,2% e 38,6%, respectivamente, que é 1,70, 1,99, e 1,78 vezes a da folha de Al (21,7%). Neste trabalho, quando uma camada de absorção nanoestruturada é adicionada à folha de Al, a maior eficiência de conversão de energia quase dobrou. Os resultados experimentais estão resumidos na Tabela 1. Portanto, a fabricação in situ de uma camada de absorção nanoestruturada na superfície de um flyer fornece um novo método para melhorar significativamente a eficiência de conversão de energia de um LDF.

A energia cinética calculada e a eficiência de conversão de energia da folha de Al e das amostras A, B e C

Conclusões

Camadas de absorção nanoestruturada foram preparadas com sucesso in situ na superfície de folhas finas de Al por tecnologia de gravação direta a laser. Além disso, demonstramos que, por meio do controle da injeção de pulso de laser, as características estruturais em micro e nanoescala podem ser realizadas. Consequentemente, uma diminuição substancial na refletividade da luz e um aumento significativo na absorção da luz podem ser realizados. Ao preparar in situ a camada de nanoabsorção na superfície de uma folha de Al, a absorção de luz pode ser aumentada de 18,7 para 90,2%. O aumento na absorção de luz, por sua vez, resultará em um aumento evidente na velocidade e energia cinética de um voador movido a laser. A conversão de energia do flyer com camada de absorção nanoestruturada pode ser significativamente melhorada em comparação com a folha de Al, a conversão de energia máxima neste estudo chega a 43,2%, que é 1,99 vezes a da folha de Al (21,7%). Portanto, a camada de absorção de nanoestrutura de alumínio in situ preparada na superfície do flyer fornece um novo método para aumentar a absorção de energia do laser e melhorar a eficiência de conversão de energia de um LDF. Além disso, a tecnologia de preparação in situ presente neste trabalho também é promissora nas áreas de fotoquímica, sensoriamento, fotodetectores e óptica quântica.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os autores declaram que os materiais, dados e protocolos associados estão à disposição dos leitores, e todos os dados usados para a análise estão incluídos neste artigo.

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