毫秒級脈沖激光輻照脆性材料的熱-力學(xué)效應(yīng).pdf

1、本文從數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)兩方面對毫秒級脈沖激光靜態(tài)輻照和動態(tài)掃描脆性材料過程中的溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行了分析,進(jìn)而就毫秒級脈沖激光對脆性材料的損傷機(jī)理,掃描情況下的可控斷裂過程,高溫情況下脆性材料的塑性轉(zhuǎn)變過程等方面進(jìn)行了研究。基于固體熱傳導(dǎo)理論,建立了軸對稱有限元計算模型,對毫秒級脈沖激光靜態(tài)輻照單晶硅材料過程中的溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行了模擬分析。熱應(yīng)力場分布規(guī)律的分析結(jié)果顯示激光輻照過程中最有可能在激光輻照區(qū)域周圍首先出現(xiàn)沿徑向發(fā)展的裂紋。根據(jù)

2、不同能量密度的波長1064nm毫秒級脈沖激光對單晶硅的損傷實(shí)驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合熱應(yīng)力的數(shù)值模擬結(jié)果對損傷機(jī)理進(jìn)行了分析,可知環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的共同作用導(dǎo)致裂紋沿徑向開裂后再趨向環(huán)向發(fā)展。
　　 本研究建立了三維有限元熱彈計算模型,對毫秒級脈沖激光動態(tài)掃描脆性板狀材料過程中的溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行了分析,并對材料邊緣含有裂紋情況下的裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子變化情況進(jìn)行了模擬計算。計算結(jié)果表明,在激光加熱區(qū)域前后位置存在兩個拉應(yīng)力區(qū),裂紋尖端

3、的應(yīng)力集中現(xiàn)象誘發(fā)材料持續(xù)開裂并引導(dǎo)裂紋沿激光掃描方向擴(kuò)展。類比于單脈沖激光輻照過程中應(yīng)力場和溫度場對稱分布的規(guī)律,對雙脈沖激光掃描含裂紋的單晶硅片過程中應(yīng)力場的分布變化情況進(jìn)行了模擬,并對不同激光光斑間距、不同激光功率情況下裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子變化規(guī)律進(jìn)行了分析。采用熱彈塑計算模型,對脆性材料在激光輻照下的塑性轉(zhuǎn)變過程進(jìn)行了有限元計算模擬,分析了激光輻照過程中熱膨脹和熱軟化對熱應(yīng)力的影響,并對塑性轉(zhuǎn)變過程中的應(yīng)力釋放過程、塑性區(qū)域的