飞秒激光烧蚀镍钛形状记忆合金的蚀除机理

第26卷第9期强激光与粒子束V o l.26,N o.9 2014年9月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S S e p.,2014

飞秒激光烧蚀镍钛形状记忆合金的蚀除机理*

唐一波1,陈冰2,陈志勇1,朱卫华1,李月华1,王新林1,2

(1.南华大学电气工程学院,湖南衡阳421001;2.南华大学机械工程学院,湖南衡阳421001)

摘要:结合双温模型的分子动力学模拟方法,研究了飞秒激光脉冲辐照B2结构镍钛合金时烧蚀阈值

附近的靶材蚀除机制,数值模拟了中心波长为800n m,脉宽为100f s,能量密度为25~50m J/c m2的激光与90

n m厚B2结构镍钛合金薄膜相互作用过程㊂确定了脉宽为100f s的脉冲激光与镍钛形状记忆合金相互作用

的烧蚀阈值,发现烧蚀阈值条件下,靶材的蚀除机制是单纯基于应力作用的机械破碎;烧蚀阈值附近,未蚀除靶

材受热影响发生无序化相变的区域较小,且随激光能量密度的降低而减小㊂提高激光功率密度,烧蚀同时呈现

热机械蚀除和机械破碎机制㊂

关键词:飞秒激光烧蚀; B2结构镍钛合金;双温模型;分子动力学模型

中图分类号:0437; T N249文献标志码: A d o i:10.11884/H P L P B201426.091025由功能材料制备的微纳器件及结构表现出来的优越性能及其诱人的应用前景,使得功能材料微纳器件制备成为近年来超快激光微细加工领域的研究热点[1-4]㊂镍钛合金因在不同温度下可实现不同微观相结构间的可逆性转换而具备形状记忆功能,被称为形状记忆功能材料,在国防㊁军事㊁航天航空㊁生物医学以及工业等领域有着广泛的应用,镍钛形状记忆合金制备的微纳器件在医学应用等领域更是起着无可替代的作用[5-6]㊂而镍钛形状记忆合金的加工具有其特殊性,传统的加工方法产生的热效应或应力易引起加工区域产生相变,从而会改变镍钛合金的特性,影响加工零件的性能㊂加工过程带来的性能改变在微细加工中的影响尤为重要㊂因此探索新的更实用的镍钛合金微细加工方法具有重要意义㊂飞秒激光加工的超高精度㊁超小热影响区域及加工材料范围广等特性,使得采用飞秒激光进行无相变㊁微纳加工具有不可替代的优势[7-8]㊂近年来,激光技术不断的取得进展,使得飞秒激光加工有望成为镍钛形状记忆合金微纳加工的有效且先进的手段[9-12]㊂开展飞秒激光烧蚀镍钛形状记忆合金的数值模拟工作,探索不同激光参数条件下靶材的相变行为以及蚀除机制,进而为飞秒激光微纳㊁无相变加工提供理论基础和参数依据,对拓展镍钛合金的应用具有重大意义㊂L e o n i dV.Z h i g i l e i 等开展的分子动力学模拟工作总结得出,超快激光烧蚀金属时,热效应及烧蚀压力波共同作用导致靶材发生了蚀除,并提出机械破碎㊁裂散㊁液相爆炸等一系列靶材蚀除机制[13-14]㊂然而,更为详细的靶材蚀除机理以及微观蚀除现象还需进一步探讨㊂本文数值模拟并分析了飞秒激光与B2结构镍钛形状记忆合金靶材相互作用时,烧蚀阈值附近的靶材蚀除机理,给出了飞秒激光微纳㊁无相变加工镍钛形状记忆合金的参数区间㊂

1数值模拟方法

超快激光与金属靶材相互作用时,激光能量首先沉积到靶材电子,靶材电子被迅速加热至极高的温度,而晶格却仍处于相对 冷 的状态,导致了靶材电子与晶格之间的非热平衡㊂双温模型将靶材分为电子和晶格两个体系,分别计算电子㊁晶格体系的热传导,突破了传统热传导方程的局限,较为准确地描述了超快激光辐照下,金属靶材的非热平衡能量弛豫过程㊂而分子动力学通过求解靶材原子体系的牛顿力学方程组,追踪了靶材每一个原子的运动,详细地描述了靶材去除㊁相变等微观过程㊂结合双温模型的分子动力学方法,具备了双温模型和分子动力学的所有优点,是研究超快激光与金属材料相互作用最为常用的方法㊂

描述双温模型的双温方程为

C e∂T e∂t=∂∂z(k e∂T e∂z)-g(T e-T l)+S(z,t)

(1)

C l∂T l∂t=-∂∂z(k l∂T l∂z)+g(T e-T l)

S(z,t)=I(t)(1-R)αe x p(-αz)

*收稿日期:2013-12-10;修订日期:2014-04-17

基金项目:国家自然科学基金项目(11174119);南华大学重点学科建设资助项目(N H X K04)

作者简介:唐一波(1988 ),男,硕士研究生,主要从事超快激光与金属相互作用方面的研究;t y b19880810@s i n a.c o m.c n㊂

通信作者:王新林(1970 ),男,博士㊁教授,主要从事激光与光电子技术及应用方面的研究;w x l_l y000@y a h o o.c o m.c n㊂

091025-1

091025-2 电子温度远小于费米温度时,C e (T e )=C e 0T e 为电子热容,其中C e 0是电子热容常量;C l 是晶格热容;k e ,k 1分别为电子㊁晶体热导率;T e ,T l 分别为电子㊁晶格温度;g 为电子晶格耦合系数;

S (z ,t )表示激光光源项;R 为材料对激光的表面反射率;α为材料的吸收系数;z 为激光传输方向;I (t

)表示激光光强随时间的分布㊂将飞秒脉冲激光沉积到靶材的能量以速度均衡力的形式耦合到靶材晶格体系,从而实现双温模型与分子动力学的结合㊂结合双温模型的分子动力学模拟中靶材原子体系运动方程组为

m i ∂2r i ∂t 2=F i +u m i v i (2

)F i =-Ñr i E t o t a l (3)式中:F i 为第i 个原子无外加载情况下靶材场受力;m i ,r i ,v i 分别为第i 个原子的质量㊁位置和速度;E t o t a l 为势

能;u 为速度均衡因子,其大小主要与飞秒激光作用下金属内部电子晶格温度之差有关,均衡因子为u =

ðn

k =1g V N (T e -T l [])/n ˑði m i (v i )[]2(4

)式中:V N 为模拟区域第N 层的体积㊂采用第二动量紧束缚势描述[15-16],势函数截断半径r c =0.42n m ㊂E t o t a l =ði ðj ʂi A αβe x p -p αβr i j d αβ-æèçöø÷éëêêùûúú1-ðj ʂi ξ2αβe x p -2q αβr i j d αβ-æèçöø÷éëêêùûúú{}1(5)式中:α和β表示原子种类;r i j 表示原子i 和j 之间的距离;参量A αβ,ξαβ,p αβ,q αβ的大小由原子间结合能㊁弹性常量㊁空穴形成能和晶格常量决定;d αβ

表示原子之间的最邻近距离㊂计算B 2结构镍钛形状记忆合金热物性参数[17],双温方程采用对三角矩阵追赶法进行差分化求解,并根据冯㊃诺依曼稳定性判据原理:t F D <0.5(Δz F D )2C e (T e )/k e (T e ,T l ),取时间差分步长t F D 为0.1f s ,空间差分步Δz F D 为1n m ㊂靶材原子体系运动方程组采用V e r l e t 积分算法进行计算㊂模拟对象为体心立方结构的B 2镍钛形状记忆合金材料,靶材体系由5ˑ5ˑ90个晶胞组成,横向尺寸1.5n mˑ1.5n m ,纵向深度90n m ,总原子数为15000㊂取x O y 坐标面为横向界面,z 为纵向深度方向,激光脉冲沿z 轴入射㊂x ,y 方向施加周期性边界

条件,底部施加压力传输边界条件[18]㊂采用热力学统计方法进行温度计算,基于维里理论进行压力统计[

19]㊂T l =ði m i (v i )2/(3k B N )(6

)p =ρk B T l +16V <ðN

i =1ðj ʂ

i F i j ㊃r i j >(7)式中:ρ为原子密度;

k B 为波耳兹曼常数;V 为体积;F i j 为第i 个原子与第j 个原子之间的相互作用力;模拟在300K 的室温下进行㊂2 结果及讨论

数值模拟时,选用典型的商用化钛宝石飞秒激光器参数,脉宽为100f s ,中心波长为800n m ㊂为探寻飞秒

激光与B 2镍钛合金相互作用的烧蚀阈值,

在参考飞秒激光与单质金属相互作用的烧蚀机理后,选取能量密度区间为25~50m J /c m 2,以5m J /c m 2为间隔,并在阈值附近密集采样㊂分别计算了脉宽为100f s

,各能量密度的激光与90n m 厚B 2结构镍钛合金薄膜相互作用的温度场㊁压力场时空分布以及原子位型㊂激光在1p s 时刻加载,整个模拟时间持续30p s ㊂2.1 烧蚀阈值烧蚀阈值是靶材开始发生蚀除的临界值,是飞秒激光加工中参数选择与工艺优化的重要判据㊂分子动力学模拟时,追踪每一个原子的运动,靶材的原子位型图包含了每一个原子的位置信息,有效地呈现了飞秒激光与B 2结构镍钛合金靶材相互作用时靶材 相变-断裂-去除 的过程㊂数值模拟时,只有60n m 以上区域发生了相变,为了清晰呈现靶材的相变过程,原子位型图只摘取60n m 以上的区域原子位置信息㊂脉宽为100f s ,能量密度分别为40,40.5和41m J /c m 2时,激光脉冲与B 2结构镍钛合金靶材相互作用时靶材辐照中心处的原

子位型(蓝色点和红色点分别代表N i 原子和T i 原子)如图1(a ),(b ),(c )所示㊂如图1(a )所示,脉宽为100f s ,能量密度为40m J /c m 2的激光烧蚀时,靶材表层出现无序化,但直到30p s

也未出现明显的原子分层与晶格断裂,表明无烧蚀现象发生㊂图1(b ),(c )先后在19p s 左右出现原子分层,

在30p s 时分层明显,

发生断裂㊂表明在该能量密度下发生烧蚀现象,但此条件下,靶材底层原子排列依然比较规强激光与粒子束