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毫秒脉冲激光烧蚀下金属靶材温度场与热应力分析

赵志培  
【摘要】:20世纪末期,人类生活的各个方面也越来越多的涉及到了激光。利用激光可以制备出新的材料,特别是纳米材料;另外利用激光可以对材料进行表面处理。材料与激光的相互作用是一个极端非平衡的过程;各项实验参数比如温度、光压、热应力,热应变等在瞬间内会发生急剧的变化,现行的实验室中的设备及测量手段无法对这一过程的每个瞬时进行测量。因此,对于激光辐照金属靶材温度与热应力的计算,及这一过程的理论研究和数值仿真成为了大家进一步了解该过程的重要手段与途径。 本文作者基于用毫秒级激光辐照金属靶材来合成纳米材料的全新工艺。将金属钛置于去离子水中,采用Nd:YAG脉冲激光器进行轰击,其功率密度为106W·cm-2,激光光斑直径约0.03cm,金属钛靶材为直径为0.1cm厚度为0.1cm的圆柱体。最后,本课题组将反应产物进行分离提纯进而获得纳米材料。在本文的模型条件下,由于钛靶属于各向同性的材料,可以认为热量沿不同角度传播是相同的,因此,本文所研究的问题可以视为一个二维的热传导问题。温度变化必定会改变材料的力学性能;形变速率较大之时,应力、应变与温度的相互作用方式也会非常复杂。本文根据热弹性理论分析了温度升高所引起的热应力。本文第四章中利用MATLAB软件,对辐射-对流耦合边界条件下毫秒激光烧蚀金属靶材的温度场进行了数值计算,并利用伽辽金法和变分原理计算了温升引起的热应力。 经计算,本文可以得出金属钛靶材在较低功率密度毫秒脉冲激光(106W·cm-2)作用下温度升高后一部分时间内温度随时间的变化过程,以及在靶材径向r轴向z上的温度分布情况。在70ns时钛钯材上表面中心点处温度大约是4300K,结论表明,此时温度不再升高,在此过程中各部分能量达到动态平衡状态,直至后续的一个脉冲的剩余时间内部分钯材气化,从而形成高温度、高压强、及高密度的等离子体,最终形成金属纳米材料。


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