飞秒激光烧蚀NiTi形状记忆合金的机理及数值模拟

摘要

深入理解飞秒激光烧蚀金属材料的物理机制，对飞秒激光微细加工过程中提高加工效率与加工质量，全面系统优化加工工艺具有重要的指导意义。本文采用结合改进的双温模型的分子动力学模拟方法研究飞秒激光与NiTi形状记忆合金材料相互作用所涉及的温度场演化，内部应力分布和原子位型变化等瞬态物理过程。论文的主要内容与结论如下：
　　(1)分析总结了飞秒激光与金属材料相互作用的一般物理过程，特别是光能与金属材料的能量耦合过程及各物理过程发生的时间尺度。介绍了超短激光烧蚀材料的双温模型理论以及有限差分求解过程、分子动力学模拟方法的具体执行步骤以及相关感兴趣量的提取；
　　(2)首次在超短脉冲激光与NiTi形状记忆合金材料相互作用的分子动力学模拟中，引入传输边界条件对材料底部边界进行处理，结果显示:在高、低不同的激光能量密度作用下，传输边界条件运用都能很好地抑制材料底部压力波的反射，说明传输边界条件能够很好地运用于数值模拟过程中；
　　(3)进一步完善了飞秒激光与NiTi形状记忆合金材料相互作用的结合双温模型的分子动力学模型。模拟了不同脉冲宽度和能量密度激光对烧蚀结果的影响。结果表明：烧蚀发生在激光诱导产生的应力波传播过后的材料次表层区域，在飞秒量级上脉冲宽度越小，材料辐照中心处电子温升越快，峰值也越高，而晶格温度的峰值反而越小；低能量密度下，烧蚀产物包含一个较大的液体团簇，而高能量密度下，烧蚀产物还有小液滴和单个粒子的存在，材料底部无应力集中区域。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外相关研究进展

1.3 NiTi形状记忆合金介绍

1.3.1 NiTi形状记忆合金的基本性质及应用

1.3.2 探索采用飞秒激光微细加工NiTi形状记忆合金的必要性

1.4 课题的主要内容

第二章 飞秒激光烧蚀金属材料理论分析与数值模拟方法

2.1 飞秒激光与金属材料相互作用的一般物理过程

2.2 飞秒激光作用金属的双温模型及其求解方法

2.3 分子动力学模拟基本方法

2.4 本章小结

第三章 飞秒激光烧蚀NiTi形状记忆合金的结合双温模型的分子动力学模拟

3.1 引入的传输边界条件可靠性分析

3.2 脉宽对烧蚀结果影响的数值模拟

3.3 能量密度对烧蚀结果影响的数值模拟

3.4 本章小结

第四章 总结与展望

参考文献

发表论文及参与科研情况说明

致谢