能量密度对飞秒激光烧蚀CuZr非晶合金的影响及无相变烧蚀机理分析

摘要

非晶合金因具有优异的力学、化学和物理性能，使其成为最具发展潜力的材料之一。然而非晶是亚稳态，在高温或者高应力下，会发生晶化，其相应的优异性能也随之改变。因而块体非晶材料的加工，特别是微纳加工，成为其应用中的一个难点。传统加工方式在加工的过程中会产生较大的热影响和应力作用，使得非晶材料的原子结构极易发生转变，所以非晶态材料的加工方法极其重要。
　　本论文采用双温模型与分子动力学相结合的方法，模拟了不同能量密度的飞秒脉冲激光与CuZr非晶合金的相互作用过程，主要工作包括以下内容：
　　(1)研究了同一脉宽下，不同飞秒脉冲激光能量密度对靶材内部电声耦合时间的影响。结果表明：随着激光能量密度的增加，体系达到能量平衡时，材料所需的电声耦合时间会更长，电子与晶格的温度也会更高。
　　(2)研究了飞秒脉冲激光能量密度对CuZr非晶合金烧蚀机理的影响。模拟采用的飞秒脉冲激光脉宽为100 fs，能量密度的变化范围为40-200 mJ/cm2。结果表明：当能量密度为40 mJ/cm2时，靶材发生机械破碎而蚀除；能量密度增大到为80 mJ/cm2时，靶材发生热机械蚀除；能量密度为160 mJ/cm2时，热机械蚀除和相爆炸共同存在于靶材的烧蚀过程，当激光能量密度增加大到200 mJ/cm2时，此时相爆炸已成为靶材蚀除的主要机制。
　　(3)采用径向分布函数对靶材烧蚀区基体进行了结构分析，结果表明：通过快速冷却铜锆晶体合金，得到了铜锆非晶合金模型。能量密度为80 mJ/cm2的飞秒激光与CuZr非晶合金相互作用后，靶材烧蚀区原子的径向分布函数与非晶材料短程有序的原子结构相对应。能量密度增大到120 mJ/cm2时，材料内部的原子结构依然保持着无序化状态，靶材未发生明显晶化。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 非晶合金的性质及其加工方法的要求

1.2 飞秒激光的加工特点及应用

1.3 飞秒激光烧蚀金属的一般研究方法

1.4 本文研究的主要目的和内容

第2章 飞秒激光烧蚀CuZr非晶合金的一般过程与研究方法

2.1 飞秒激光烧蚀二元合金的过程

2.2 飞秒激光与CuZr非晶合金的能量耦合方式

2.3 分子动力学模拟方法

2.4 本章小结

第3章 飞秒激光烧蚀CuZr非晶合金的机制

3.1 能量密度对电声耦合时间的影响

3.2 不同能量密度下的烧蚀机制

3.3 本章小结

第4章 飞秒激光烧蚀CuZr非晶合金的效果分析

4.1 径向分布函数

4.2 CuZr晶体与CuZr非晶合金原子结构的偏径向分布函数分析

4.3 CuZr非晶烧蚀区基体原子结构的径向分布函数分析

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 论文工作总结

5.2 展望

参考文献

作者攻读学位期间的科研成果

致谢