多場耦合下瞬態(tài)熱沖擊響應的宏微觀分析.pdf

1、隨著超短脈沖激光技術（10-18秒-10-12秒，阿秒-皮秒）的發(fā)展及微電子器件的廣泛應用，時間極短情形下的熱機耦合問題受到越來越多的關注。已有的研究指出當施加熱荷載的時間與介質(zhì)的熱松弛(thermal relaxation)時間相當、及介質(zhì)材料的特征尺寸(characteristic dimension)小于或與熱載子(thermal carriers)的平均自由程(mean free path)相當時，基于經(jīng)典傅里葉（Fourier

2、）熱傳導定律的經(jīng)典熱彈性理論所預測的熱的無限大傳播速度不能很好地符合實驗觀測結果。為了適應超短脈沖激光技術及微電子器件的發(fā)展需要，克服經(jīng)典熱彈理論的缺陷，準確描述時間極短情形下的熱機耦合現(xiàn)象，人們建立起多種可以描述熱的波動效應（熱以有限速度傳播）的廣義熱彈性理論，其中被廣泛采用的有 Lord-Shulman(L-S)型、Green-Lindsay(G-L)型和Green-Naghdi(G-N)型這三種廣義熱彈性理論，這三種理論均能表征熱

3、在介質(zhì)中的傳播速度是有限的，固體的第二聲（second sound）效應被很好地呈現(xiàn)。金屬材料的熱傳輸主要是通過電子-聲子的相互耦合來完成的：一、電子直接吸收能量被加熱；二、電子通過與聲子（晶格）的碰撞來加熱晶格，從而使金屬升溫并使能量向更遠處傳播。由于其特殊的熱傳輸機理，人們建立了超快熱彈性理論。
　　本文基于廣義熱彈性理論，首先采用有限元的方法對層合材料板界面的瞬態(tài)熱彈耦合行為以及功能梯度介質(zhì)、多孔材料中熱、磁、彈等多場耦合問

4、題開展研究；考慮介質(zhì)內(nèi)微顆粒的微極與微伸效應，研究了電磁介質(zhì)受到熱沖擊作用的廣義熱彈性響應；基于超快熱彈性理論，計及材料熱力學屬性隨溫度變化，研究了激光脈沖加熱單層與雙層金屬薄膜的超快熱彈性問題。進而考慮電子的熱波動效應，提出了雙曲型兩步熱傳輸-分子動力學模型（HTTM-MD），采用分子動力學方法研究了飛秒激光作用下金納米薄膜中超快熱彈耦合響應。最后，從物理學中波的觀點出發(fā)，基于廣義熱彈性理論推導了由熱沖擊誘導的高頻熱彈性波波速的表達式

5、，并討論了多場耦合效應對波速的影響以及熱波與彈性波的特點。主要工作如下：
　　1）建立了基于G-L廣義熱彈性理論的有限元控制方程，研究了瞬態(tài)熱沖擊下層合材料板界面的熱彈性行為，得到了兩種不同熱導系數(shù)、比熱容、熱松弛時間、密度等復合板材料界面處熱、變形、應力等的演化特點，探討了各材料參數(shù)對界面熱行為的影響特點，給出了各材料參數(shù)對熱行為影響程度的比較。
　　2）基于G-N熱彈理論Ⅱ、Ⅲ模型，利用有限元方法討論了含圓柱形隧洞且材料

6、物性參數(shù)隨隧洞半徑梯度變化的無限大體在隧洞表面局部受到階躍熱載荷沖擊作用的二維熱彈耦合問題，得到了無限大功能梯度體的熱彈性響應，還討論了功能梯度參數(shù)對材料熱彈性響應的影響，最后研究了G-N熱彈理論Ⅱ、Ⅲ模型各自的特點以及Ⅲ模型中耗散系數(shù)的影響。
　　3）考慮材料內(nèi)微結構的微極與微伸效應，研究了放置在磁場中表面受到條帶狀熱沖擊熱彈性板的二維熱彈性問題。得到材料板的熱彈性行為，發(fā)現(xiàn)，微伸效應對材料的熱、機響應均有影響，而微極效應只對材

7、料的機械響應有影響。
　　4）考慮材料屬性隨溫度變化，研究了含微孔半無限大體在磁場中表面受到熱沖擊作用的廣義電磁熱彈性響應，比較了不同理論下的結果，得到廣義理論與經(jīng)典理論各自的特點以及適用范圍。通過對比不考慮屬性隨溫度變化與屬性隨參考溫度變化的結果，發(fā)現(xiàn)差別很大，說明在研究介質(zhì)受到熱沖擊的問題時，尤其屬性對溫度比較敏感的材料，考慮屬性隨溫度變化的必要性。
　　5）基于超快熱彈性理論研究激光加熱金屬薄膜的熱彈性問題，討論了超短

8、激光脈沖作用下單層與雙層金納米薄膜的超快熱力響應。由于金屬中電子的熱物性參數(shù)對溫度極其敏感，因此在研究中考慮了電子的熱物性參數(shù)隨溫度變化的特性。還討論了電子熱爆轟力的影響，發(fā)現(xiàn)計及電子熱爆轟力后位移響應的絕對值會變大，尤其是在激光沖擊的初期，會產(chǎn)生超極速變形，這對材料的破壞是致命的；同樣，考慮電子熱爆轟力后，應力的絕對值也會變大．因此在熱沖擊初期，考慮電子熱爆轟力對響應的準確預測非常必要。
　　6）計及電子的熱松弛效應，提出了雙曲

9、型兩步熱傳輸-分子動力學模型（HTTM-MD），采用所建立的方法研究了金納米薄膜在不同脈寬的激光作用下的超快熱機耦合行為，對材料屬性隨溫度變化對響應的影響以及薄膜在飛秒激光照射下的非熱燒蝕現(xiàn)象進行了探討，發(fā)現(xiàn)當激光脈寬短至材料的電子熱松弛時間量級時，電子的熱松弛效應對材料的熱機耦合行為產(chǎn)生很大的影響，此時傳統(tǒng)的拋物型兩步熱傳輸-分子動力學模型（TTM-MD）預測失效。
　　7）根據(jù)彈性固體中每個變形波必有一個溫度波伴隨特點，采用廣