【摘 要】
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随着飞秒激光技术的发展,具有高能量密度、低热效应等优势的飞秒激光加工技术受到关注。其中,应用飞秒激光加工技术对金属材料进行烧蚀,在其表面可控的诱导产生微纳结构并赋予其特定性质与功能成为了近年来这一领域的研究热点。然而,由于飞秒激光加工技术具有瞬时性的特点,激光加工过程难以通过现有技术进行实时观察,因此对于飞秒激光加工过程的研究主要通过数值模拟方法进行。本文拟应用飞秒激光对钛表面进行烧蚀,通过调控激
【基金项目】
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国家重点研发计划（项目号:2020YFC1107403）；
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随着飞秒激光技术的发展,具有高能量密度、低热效应等优势的飞秒激光加工技术受到关注。其中,应用飞秒激光加工技术对金属材料进行烧蚀,在其表面可控的诱导产生微纳结构并赋予其特定性质与功能成为了近年来这一领域的研究热点。然而,由于飞秒激光加工技术具有瞬时性的特点,激光加工过程难以通过现有技术进行实时观察,因此对于飞秒激光加工过程的研究主要通过数值模拟方法进行。本文拟应用飞秒激光对钛表面进行烧蚀,通过调控激光加工工艺,在钛表面诱导产生不同微纳结构,对具有这些结构的表面进行实验观察与分析,研究脉冲能量与微观形貌之间的关系。随后,通过分子动力学与双温方程相结合的方法模拟飞秒激光对钛表面的烧蚀过程,详细分析了飞秒激光与钛表面的相互作用过程及其烧蚀机理。在实验研究中,使用不同脉冲能量的飞秒激光对钛表面进行烧蚀,在钛表面诱导产生了微纳结构。对表面微纳结构的观察与分析发现,随着脉冲能量的提高,钛表面的微纳结构由周期性条纹结构向岛状突起结构逐渐转变。其中,具有周期性条纹结构的钛表面氧化层下约0～40 nm的范围内形成了孔洞结构。微米压痕实验结果表明,飞秒激光加工制备的具有周期性条纹结构的钛表面相比机械打磨钛表面,具有更低的杨氏模量及维氏硬度。通过LAMMPS软件对飞秒激光烧蚀钛靶的过程进行分子动力学模拟,采用OVITO可视化软件对模拟结果进行分析。设计了能量密度为0.25 J/cm~2、0.30 J/cm~2、0.35 J/cm~2、0.40 J/cm~2、0.45 J/cm~2、0.50 J/cm~2共6组模拟方案,通过对钛靶结构、密度、温度、压强的分析,探究能量密度对钛靶的影响。结果表明0.25 J/cm~2至0.50 J/cm~2的能量密度范围内,钛靶膨胀并通过原子喷射形成烧蚀羽流,烧蚀羽流的规模随着能量密度的提高而增大。钛靶表面下形成了纳米孔洞结构,随着能量密度的提高,孔洞形成时间缩短,孔洞的形成区域扩大。通过钛靶温度及压强的演变对孔洞形成的机理进行了探究,研究结果表明,孔洞形成的原因是钛靶内高温区域受到的拉应力超过了该区域抗拉强度极限。孔洞数量随孔洞形成的区域温度升高而增多,孔洞体积随孔洞形成的区域温度升高而下降。孔洞演变过程包括形核、生长和合并。最后,对烧蚀机理进行了分析和总结,发现烧蚀机理可分为相爆炸和机械性断裂两种。
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