脉冲激光加热的微尺度导热和熔化耦合传热问题研究

The coupled heat transfer problem of the microscale heat conduction and melting of nano metal films under ultra short pulsed laser will be studied. The microscale effects on both time scale and space scale are involved in this process and therefore the Fouriers Law is not applicable any more. In order to take advantage of the merits of both the two-temperature model and the molecular dynamics method a new mixed model that couples these two models together is presented. At the same time the spatial distribution rule of the laser energy will be obtained by introduce Mie scattering theory into the laser processing. Then in order to understand the physical mechanism and the characteristics of the high-speed conduction and melting the heat transfer phenomena in this process will be studied numerically. In addition, the relative experiment work will also be carried out. The research work will be very valuable for promoting the application of this technology in the manufacture field.

课题研究纳米金属薄膜在超短脉冲激光加热下的微尺度导热和熔化耦合传热问题。在激光照射下薄膜可能会发生熔化现象，激光与材料的相互作用影响熔化的发生，同时熔化后形成的固液界面存在卡皮查热阻，又会反过来影响热传导的进行，在这个过程中涉及到了时间和空间上的微尺度效应，因而经典的傅里叶导热定律不再适用。课题将兼顾双温度模型与传统分子动力学模型各自的优点，提出一个新的混合模型，即将两种模型耦合起来，同时通过将Mie散射理论引入到激光加工过程中而获得激光能量的空间分布规律，从而对该过程中的各种传热现象进行研究，以获得超短脉冲激光加工过程中金属薄膜内部发生的超高速导热和熔化传热过程的物理机理和传热规律，并进行相关的实验研究和验证。课题的研究工作对于推进这种技术在材料精细制造加工中的应用非常有价值。

超快激光微细加工是当今世界激光、光电子行业中的一个极为引人注目的前沿研究方向，本课题正是以这一精细加工过程中的热物理问题为工程应用背景，对该过程中的微观导热和熔化耦合的相变传热机理以及传热规律进行研究。主要做了以下几方面的工作并取得相应成果：.1）对于超短超快激光的加热过程，傅里叶导热定律的适用性受到了质疑，课题分别采用宏观模型、微观模型（MD）和基于格子玻尔兹曼的方法（LBM）对这一过程中的非傅里叶效应进行了研究，建立了适用于不同参数下的模型，并且在经典LBM的基础上首次提出了ELBM和HLBM的算法，在此基础上对不同参数下的加热过程进行了研究，获得了相应的传热规律。.2）对于传统的热扩散问题 (傅里叶导热模型)，在处理对称问题时，为了简化计算，一般只求解一半的计算区域，中心区域采用绝热边界条件处理。然而对于超高速传热问题在采用考虑非傅里叶效应的模型时这样的处理方法就不再适用。对于超短脉冲激光，热具有波的特性，相遇时会发生叠加，碰到绝热的边界条件时会被绝热边界反弹。课题将对超短脉冲激光下的热波特点，包括热波叠加，振荡等特性进行了研究，获得了相应的波动特性。.3）在超短脉冲激光精细加工过程中，当激光照射纳米颗粒时会发生衍射现象，激光的能量沿空间的分布并不均匀，并且这个衍射效应对于粒径的尺寸非常敏感，因此对于不同的粒径颗粒，衍射效应在散射问题中的比重就会发生变化，从而产生不同的散射现象。课题通过引入Mie散射理论研究了激光能量在空间上的分布情况。并在此基础上研究了激光照射纳米颗粒时的传热过程，研究结果和实验现象吻合。.4）分别采用宏观模型、介观模型和微观模型对超短激光加热金属材料的相变传热过程进行了研究，获得了相应的传热特性和规律，并发展了可以描述不同传热现象的通用模型。.课题的研究为超快激光精细加工技术建立理论基础和提供支持。