微納米薄膜材料中激光皮秒超聲的數(shù)值模擬.pdf

1、基于雙溫模型理論和線彈性理論,采用有限元方法,建立了超短脈沖激光輻照微納米薄膜材料誘導(dǎo)皮秒超聲的理論模型,數(shù)值模擬研究超短脈沖激光作用下微納米薄膜材料中瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布及高頻超聲的傳播特性,為微納米薄膜材料的力學(xué)性能的評(píng)價(jià)和無損檢測(cè)提供理論分析的依據(jù)。
　　 針對(duì)超短脈沖激光輻照Al、Cu、Au單層薄膜和Al/Si3N4/Si多層薄膜材料的物理模型,建立了簡(jiǎn)化的一維有限元模型,并分析了模型中網(wǎng)格大小和時(shí)間步長(zhǎng)的選取原則,以保證計(jì)算

2、結(jié)果的收斂性、正確性。
　　 基于雙溫模型理論,利用數(shù)值計(jì)算的方法,對(duì)微納米薄膜中電子和晶格的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,得到了飛秒激光輻照薄膜材料時(shí)非傅里葉熱傳機(jī)制所形成的瞬態(tài)溫度場(chǎng)。通過對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)激光脈寬很窄時(shí),在薄膜近表面處形成溫度梯度很大的熱作用區(qū)域。電子的溫度變化遠(yuǎn)比晶格的劇烈,金屬中電子-晶格溫度到達(dá)平衡狀態(tài)所需的時(shí)間長(zhǎng)短取決于材料耦合因子的大小,而電子的過冷卻現(xiàn)象則是由于電子和晶格的熱導(dǎo)率差異引起的。對(duì)比基于雙溫

3、模型理論和傅里葉熱傳理論的計(jì)算結(jié)果,得到傅里葉熱傳理論過高的估計(jì)了晶格溫度,因此在皮秒超聲研究中采用雙溫模型理論確定溫度場(chǎng)更為合適。
　　 基于多物理場(chǎng)耦合理論,數(shù)值模擬了皮秒超聲的激發(fā)和傳播過程。得到了激光激發(fā)皮秒超聲的瞬態(tài)位移場(chǎng),瞬態(tài)位移場(chǎng)的變化特性取決于薄膜中瞬態(tài)溫度場(chǎng)的分布。數(shù)值分析得到薄膜表面位移多峰特征是由應(yīng)變?cè)诮缑婧偷酌嫣幏瓷湟鸬?且應(yīng)變?cè)诒∧ぶ袀鬏敃r(shí)振幅大小基本不變,說明超聲在薄膜中傳播時(shí)能量基本不衰減。當(dāng)薄膜