毫秒级脉冲激光辐照脆性材料的热—力学效应

毫秒级脉冲激光辐照脆性材料的热—力学效应本文从数值模拟和实验两方面对毫秒级脉冲激光静态辐照和动态扫描脆性

材料过程中的温度场和应力场进行了分析,进而就毫秒级脉冲激光对脆性材料的损伤机理,扫描情况下的可控断裂过程,高温情况下脆性材料的塑性转变过程等

方面进行了研究。基于固体热传导理论,建立了轴对称有限元计算模型,对毫秒级脉冲激光静态辐照单晶硅材料过程中的温度场和应力场进行了模拟分析。

热应力场分布规律的分析结果显示激光辐照过程中最有可能在激光辐照区

域周围首先出现沿径向发展的裂纹。根据不同能量密度的波长1064m毫秒级脉冲激光对单晶硅的损伤实验结果,结合热应力的数值模拟结果对损伤机理进行了分析,可知环向应力和径向应力的共同作用导致裂纹沿径向开裂后再趋向环向发展。

建立了三维有限元热弹计算模型,对毫秒级脉冲激光动态扫描脆性板状材料过程中的温度场和应力场进行了分析,并对材料边缘含有裂纹情况下的裂纹尖端的应力强度因子变化情况进行了模拟计算。计算结果表明,在激光加热区域前后位置存在两个拉应力区,裂纹尖端的应力集中现象诱发材料持续开裂并引导裂纹沿激光扫描方向扩展。

类比于单脉冲激光辐照过程中应力场和温度场对称分布的规律,对双脉冲激光扫描含裂纹的单晶硅片过程中应力场的分布变化情况进行了模拟,并对不同激光光斑间距、不同激光功率情况下裂纹尖端的应力强度因子变化规律进行了分析。采用热弹塑计算模型,对脆性材料在激光辐照下的塑性转变过程进行了有限元计算模拟,分析了激光辐照过程中热膨胀和热软化对热应力的影响,并对塑性转变

过程中的应力释放过程、塑性区域的发展过程进行了研究。

结果显示,激光辐照过程中热软化使塑性区域不断扩大,由于温升变缓,过程

中塑性区域的扩大速率随时间减小。本文的研究结果有助于加深对毫秒级脉冲激光辐照脆性材料过程中的温度场、应力场变化过程的理解,同时为脆性材料的抗激光损伤、激光切割、激光成形提供理论依据和实验支持。