高能短脉冲激光水下作用铜的分子动力学模拟

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高能量密度短脉冲激光微加工是现今机械微加工领域中不可或缺的技术之一。由于在水溶液中进行高能量密度短脉冲激光加工能获得更好的冷却效果以改善工件的加工边缘质量。同时,激光诱发的等离子冲击波和爆发沸腾带来的射流冲击都将对材料产生力学效应,增加其蚀除材料的能力。由于进行激光实验的复杂性,需要一种准确且方便的仿真方法来预测实验的结果,为实验提供导向性。  本文采用分子动力学的方法对高能量密度短脉冲激光作用SPC水分子系统、EAM铜原子系统以及水下铜原子系统的过程进行了仿真。本文使用 Material Studio、Lammps以及VMD等软件实现上述工作。  研究结果表明,在高能量密度短脉冲激光的作用下,水分子温度急剧上升,在能量加载区域出现等离子体空泡,氢-氧键距离增加,水分子间的氢键作用减弱,分子极性降低。在激光焦点区域的EAM铜原子迅速气化,其周围达到熔点的区域约为15nm;铜原子达到熔点后,能量上升较快,其原因为固态铜原子吸收能量转变为潜热增加原子间的距离;温度越高,铜原子的双体分布函数曲线振幅越小,其原子有序程度越低;加工区域内有碎屑堆积,阻碍后续加工。水下铜原子在激光能量和水分子等离子冲击波的作用下,快速达到熔点并产生孔洞,孔洞半径3nm,激光造成的热影响区远小于真空中的加工;同时,其激光能量密度仅为真空中所用激光的1/2;水分子等离子冲击波及气泡溃裂产生的射流将加工碎屑冲出孔洞,提高了激光连续加工性能。
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