脉冲激光驱动碳纳米纸旋转的现象及规律研究

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光驱动技术通过光与物质相互作用(如光压或者光声效应等),使物体获得加速度,从而可以远程驱动物体。一般光驱动选择激光作为光源,驱动物质则选取轻量具备多孔结构的材料,如波长为450 nm的激光驱动质量为0.86 mg的多孔气泡结构的石墨烯体材料克服重力移动40 cm。碳纳米纸材料是一种轻量具有多孔结构的新型热声材料,能够产生覆盖100 Hz100 kHz的频率范围的声波。理论计算表明,室温下单根单壁碳纳米管沿着轴向的热导率高达6000 Wm-1K-1,碳纳米管的恒压热容约为690J/(kg·K)远低于空气1402 J/(kg·K),由于碳纳米纸是一种新型的纳米材料,目前未有激光驱动碳纳米纸材料的研究报道。脉冲激光照射在碳纳米纸材料表面时,碳纳米纸吸收光能,由于碳纳米管的定压热容小导热率高,在脉冲持续时间内,碳纳米纸多孔结构的碳纳米管框架温度迅速上升并加热多孔结构中的空气,随着脉冲的结束,碳纳米纸的温度迅速下降,多孔结构中的空气温度也迅速下降,随着周期性的脉冲激光,空气的温度也在周期性的变化,这一过程可以看成是绝热的,空气温度的周期性变化激发出空气压力的周期性变化即声波。声波在空气中的传播施加给碳纳米纸一个驱动力,这样在脉冲激光的照射下,质量很小的碳纳米纸被驱动了。因此,能够影响碳纳米纸热声效应的激光功率,脉冲时间,碳纳米纸的厚度,孔隙率也是影响激光驱动碳纳米纸材料效果的因素。本论文使用COMSOL软件的“多孔介质传热”模块模拟碳纳米纸材料对激光的吸收和传导,研究激光功率,碳纳米纸厚度和孔隙率对其传热性能的影响。孔隙率越大传热性能越好,碳纳米纸厚度为150 um时对激光光能的吸收和传导效果最为显著。相比于连续激光,相同平均功率的脉冲激光由于其峰值功率高,在脉冲时间内,能够使碳纳米纸的温度升得更高,并在脉冲结束下一个脉冲到来之间迅速冷却,并产生激光冷却效应,加大碳纳米纸材料多孔结构在一个脉冲激光步长内的温度压力变化。本论文使用532 nm的YAG脉冲激光对碳纳米纸材料进行驱动实验,研究YAG脉冲激光驱动碳纳米纸旋转的现象和特点。在驱动过程中,碳纳米纸材料表面被脉冲激光烧蚀并听到明显的冲击波声音,并有少量黑色粉末落下,显微镜和SEM图像观察到脉冲激光照射碳纳米纸后,照射部位的碳纳米纸结构发生变化并损失了一部分物质,测得的光驱动旋转平均角速度最大为6度每秒。结合模拟的结果,本论文认为脉冲激光驱动碳纳米纸材料的原因是:碳纳米纸吸收脉冲能量并传导,其多孔结构内部空气的温度和压力随脉冲激光发生周期性的震荡,在周围环境中激发出声波,产生了对轻量碳纳米纸的驱动力。而温度的迅速升高和声波的冲击使得碳纳米纸被照射部位发生变化并损失了一些物质。
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