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飞秒激光加工SiC的烧蚀阈值及材料去除机理研究一、概述飞秒激光作为一种新型的材料加工工具，因其独特的加工特性受到了广泛关注。
飞秒激光加工具有瞬间高能量密度，瞬间产生的高温和热应力使得材料可以被快速去除。
飞秒激光在微纳加工、材料去除以及医疗领域有着广泛的应用前景。
二、SiC材料的特性SiC是一种重要的功能陶瓷材料，具有高熔点、高硬度、耐热性和化学稳定性，因此在航空航天、能源领域以及电子工业中有着广泛的应用。
然而，由于其高硬度和脆性，传统的机械加工方法难以对其进行精密加工。
而飞秒激光加工由于其独特的加工机理可以对SiC材料进行高精度加工。
三、飞秒激光对SiC材料的烧蚀阈值研究1. 飞秒激光烧蚀阈值的定义飞秒激光烧蚀阈值是指在材料表面形成微小凹坑所需要的最小脉冲能量密度。
烧蚀阈值的研究可以帮助我们了解飞秒激光对SiC材料的加工性能以及选择适当的加工参数。
2. 烧蚀阈值的实验测定通过在实验室中利用飞秒激光对SiC材料进行加工，在不同的能量密度下观察材料表面形成微小凹坑的能量阈值，从而确定飞秒激光对SiC 材料的烧蚀阈值。
3. 烧蚀阈值的影响因素烧蚀阈值的大小受多种因素影响，包括材料的性质、激光参数、加工环境等。
研究表明，SiC材料的烧蚀阈值与其晶格结构、折射率、熔点等有一定关系。
四、SiC材料去除机理研究1. 飞秒激光对SiC材料去除的机理飞秒激光材料去除的机理主要包括光热效应、等离子体和电子云效应、以及激光诱导的化学反应。
在对SiC材料进行飞秒激光加工的过程中，激光脉冲瞬间产生高能量密度，使得材料表面产生等离子体并形成一个离子云，最终导致材料的快速去除。
2. 材料去除机理的影响因素材料去除的机理受多种因素影响，包括激光参数、材料特性以及加工环境等。
研究表明，SiC材料的晶格结构、温度梯度、激光脉冲宽度等因素会对材料去除机理产生一定影响。
五、结语飞秒激光对SiC材料的加工具有着广泛的应用前景，但是对其烧蚀阈值和材料去除机理的研究仍然有待深入。
镍钛记忆合金增材制造技术研究进展及其在航空领域的应用前景赵兴科【摘要】镍钛合金具有特异的形状记忆效应与超弹性、高阻尼性、良好的机械性能,是制造驱动器、阻尼器等的功能结构材料.由于镍钛合金的熔炼制备与机加工性能较差,目前应用的镍钛合金构件通常外形简单且尺寸较小,限制了其在航空等领域大型结构件中的应用.金属增材制造技术为形状复杂的大型镍钛合金构建的制造开辟了新途径.综述了镍钛合金的增材制造技术的现状,并举例说明其在航空制造领域中的应用.【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2016(000)012【总页数】11页(P32-41,48)【关键词】镍钛记忆合金;增材制造技术;航空应用【作者】赵兴科【作者单位】北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083【正文语种】中文镍钛形状记忆合金（以下简称镍钛合金）是功能材料的优秀代表，因其特异的形状记忆效应与超弹性、高阻尼性、高耐腐蚀性及优良的生物相容性等，已在众多领域获得了卓有成效的应用[1]。
多孔镍钛合金除了秉承镍钛合金的上述优良特性外，同时又有着密度小、变形量大、力学性能可调等特点，特别适合制造轻质驱动器、高阻尼减振器件及人工骨骼等功能结构件[2-3]。
通常，致密镍钛合金是以熔炼方式制备，而多孔镍钛合金采用粉末冶金方法制备[4]。
然而，限于镍钛合金的熔点较高（1310℃）、化学活性大以及机加工性能差[5]，目前常规的熔炼方法或粉末冶金方法制备的镍钛合金多为外形简单的小型器件，严重制约了镍钛合金的性能提高和应用推广。
增材制造（AM）是近年来出现的一类利用计算机辅助的精密制造技术。
金属增材制造是按照数值化模型，通过连续堆积方式，实现从金属原料到复杂结构金属制品的无模具、快速、近净成形[6]。
金属增材制造技术为制备形状复杂、孔隙结构可控、大尺寸镍钛合金构件开辟了崭新途径，使航空结构用镍钛记忆合金驱动和阻尼构件的制造成为可能。
目前，镍钛合金增材制造技术的研究和开发尚处于初始阶段，美国、欧洲工业发达国家在该领域处于领先地位，出现了多种不同形式的镍钛合金增材制造技术（见表1）。
镍钛形状记忆合金材料的生物相容性研究进展摘要:镍钛形状记忆合金作为重要的生物医用材料已经获得了广泛的应用，但镍离子在人体环境中的释放引起了人们的忧虑。
本文结合有关镍钛形状记忆合金材料生物相容性方面的研究论文, 阐述了镍钛形状记忆合金的概念、工作原理、物化性能、生物相容性、医学应用以及发展趋势等。
关键词:Tｈe nitｉ shape memｏry alloy biocomｐａtibiliｔｙＳuｒface moｄｉｆiｃａｔｉon1引言生物医用材料（biｏmedicａｌｍatｅriaｌ)是用于对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的新型高技术材料。
它是研究人工器官和医疗器械的基础,己成为材料学科的重要分支,尤其是随着生物技术的莲勃发展和重大突破，生物材料己成为各国科学家竞相进行研究和开发的热点。
当代生物材料已处于实现重大突破的边缘，不远的将来,科学家有可能借助于生物材料设计和制造整个人体器官,生物医用材料和制品产业将发展成为本世纪世界经济的一个支柱产业．由生物分子构成生物材料，再由生物材料构成生物部件。
生物体内各种材料和部件有各自的生物功能。
它们是“活”的,也是被整体生物控制的。
生物材料中有的是结构材料,包括骨、牙等硬组织材料和肌肉、腱、皮肤等软组织;还有许多功能材料所构成的功能部件,如眼球晶状体是由晶状体蛋白包在上皮细胞组成的薄膜内而形成的无散射、无吸收、可连续变焦的广角透镜。
在生物体内生长有不同功能的材料和部件，材料科学的发展方向之一是模拟这些生物材料制造人工材料。
它们可以做生物部件的人工代替物，也可以在非医学领域中使用。
前者如人工瓣膜、人工关节等；后者则有模拟生物黏合剂、模拟酶、模拟生物膜等镍钛形状记忆合金因具有独特的形状记忆效应、超弹性、较高的疲劳极限、优良的耐磨性及良好的生物相容性,在医学领域获得了广泛的应用,如畸齿丝、心血管扩张支架、骨折修复材料等。
作为一种长期植入人体的生物材料，不仅要具有良好的生物力学性能,而且还要有优异的耐蚀性和生物相容性。
医用镍钛记忆合金在微创介入领域的应用尹玉霞;王鲁宁;郝树斌;颜秉运;曹明昆;张海军【摘要】近年来介入医学发展已经成为独立于内科、外科之外的第三大治疗手段.镍钛合金材料作为一种性能优异的生物材料在微创介入领域得到越来越广泛的应用.本文简单介绍了镍钛形状记忆合金的特性,如形状记忆效应、超弹性、抗腐蚀性、耐磨性等.着重介绍了镍钛形状记忆合金在血管支架、封堵器、腔静脉滤器、心脏介入瓣膜以及腔道内植入支架等的应用和国产化情况,针对镍离子致癌性问题导致的镍钛合金产品临床使用的长期安全性展望了未来研究的发展方向.【期刊名称】《中国医疗设备》【年(卷),期】2019(034)006【总页数】4页(P153-156)【关键词】镍钛记忆合金;生物医用材料;微创介入领域【作者】尹玉霞;王鲁宁;郝树斌;颜秉运;曹明昆;张海军【作者单位】生物医用材料改性技术国家地方联合工程实验室,山东德州 251100;北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083;北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083;山东省医疗器械产品质量检验中心,山东济南 250101;生物医用材料改性技术国家地方联合工程实验室,山东德州 251100;生物医用材料改性技术国家地方联合工程实验室,山东德州 251100;生物医用材料改性技术国家地方联合工程实验室,山东德州 251100【正文语种】中文【中图分类】R318.08引言镍钛形状记忆合金（Nickel Titanium Shape Memory Alloys，Ni-Ti SMA）是近几十年发展起来的一种新型功能材料。
与传统生物医用金属材料（不锈钢、钴合金和钛合金）相比，除了具有独特的形状记忆特性外，还具有超弹性、较好的耐腐蚀性、持久的耐疲劳特性和非磁性，并可以在人体温度下进行响应和改变，因此广泛应用于生物医用领域如口腔、心脑血管、肝胆胸外、骨科等[1-2]。
近年来，复杂精准的微创介入医学治疗对微型仪器和耗材提出了更精确可靠和功能多样化的需求，为镍钛合金在微创介入领域的应用提供了巨大的机遇。
镍钛合金记忆原理镍钛合金是一种形状记忆合金。
它是由镍和钛两种金属元素组成的合金，具有非常特殊的性质，可以随着温度或应力的变化而改变其形状和特性。
镍钛合金的记忆原理是指在不同的外界条件下，它可以通过变形和恢复来改变其形状。
以下是镍钛合金记忆原理的详细解释。
一、形状记忆效应镍钛合金的形状记忆效应是指它可以被加工成一定的形状，然后被“记忆”在某些特定的温度或应力下。
当外界温度或应力改变时，它会自动恢复到原来的形状。
这种记忆效应是由于镍钛合金的相变和晶体结构变化引起的。
在镍钛合金的相变过程中，合金中的晶格结构发生了变化，导致相应的物理性能发生变化。
这种相变涉及到两种不同的结构，即高温相和低温相。
高温相通常是面心立方结构，而低温相通常是体心立方结构。
当镍钛合金被加热到一定温度时，它会从低温相转变为高温相。
然后在冷却过程中，它又会回到原来的低温相状态，这种相变就引起了镍钛合金的形状记忆效应。
二、伸展回收效应镍钛合金的伸展回收效应是指当外加应力超过一定值时，合金会发生变形，但是当外力消失时，合金会自动恢复到原来的状态。
这种效应也被称为“超弹性”效应，是镍钛合金的一种独特性质。
超弹性主要由晶体结构和相变所引起。
镍钛合金的晶体结构中含有很多位错，当外力作用于合金时，这些位错会发生滑移，导致合金发生形变。
但是，在弹性极限范围内，这些位错可以在外力消失时恢复到原来的状态，使合金恢复到原来的形状。
三、应变记忆效应应变记忆效应是镍钛合金的另一种特殊记忆效应。
这种效应是指当外界受到某种影响时，合金的晶格结构发生变化，导致合金的形状和特性发生变化。
例如，将镍钛合金压缩或拉伸至一定程度，然后在特定的温度或应力下让它恢复到原来的形状，这种效应就是应变记忆效应。
应变记忆效应与形状记忆效应有区别，它更加灵活，并且可以适应更多的应用场景。
在某些医学设备和机械装置中，镍钛合金常常被用于应变记忆效应，以实现特定的功能。
总之，镍钛合金具有独特的记忆效应，可以随着外界条件的变化而改变其形状和特性。
形状记忆合金的研究与展望摘要：形状记忆合金是新近崛起的一类高科技功能材料。
应用已遍及航天、航空、电子、机械、能源、农业、医学、机械人以至日常用品等领域。
本文简要阐述了目前主要的形状记忆合金的类别及其影响形状记忆效应的因素。
关键词：形状记忆合金；形状记忆效应；马氏体相变引言形状记忆合金（Shape Memory Alloys，简称SMA）是新近崛起的一类高科技功能材料。
这类合金在某一温度下受外力而变形，当外力去除后，仍保持其变形后的形状，但当温度上升到某一温度，材料会自动回复到变形前原有的形状，能够大致上恢复至变形前的形状，这种所具有的回复原始形状的能力，称为形状记忆效应(Shape Memory Effect ,SME)[1]。
自该合金发现以来，它以独特的形状记忆效应和超弹性（Superelasticity）而引起人们的注视，并正逐渐得到日益广泛的应用，并在数量上已经跃居马氏体相变研究的首位[2]。
形状记忆合金的应用已遍及航天、航空、电子、机械、能源、农业、医学、机械人以至日常用品等领域。
在应用领域，其发展阶段大致经历了组分的变化及性能的提高。
NiTi合金和Cu基合金的开发应用主要集中在上世纪60~80年代，而铁基合金的开发应用相对较晚。
但是，这些合金的研究在今年来也一直受到关注，研究从未中断。
近年来形状记忆合金研究所取得的进展也主要体现在为NiTi，Cu基和Fe基形状记忆合金开发应用所进行的基础研究的探索上。
1. 形状记忆合金的分类1.1 钛镍形状记忆合金[3]1963年，W. Buehler等人在美国海军武器实验室发现了钛镍形状记忆合金具有可逆马氏体相变导致形状记忆效应[4]，随后引起了人们的极大兴趣，并很快得到应用。
迄今为止，有TiNi形状记忆合金的研究仍在不断地开展，在一系列的国际会议上，如马氏体相变国际会议（ICOMAT）、欧洲马氏体相变会议（ECOMAT）、形状记忆与超弹性国际会议（SMST），形状记忆材料国际会议（SMM）等，都占有很大比重，在有关智能材料和结构方面的国际会议上也占有一定比重。
波长比本征吸收限长的光波在半导体中能被吸收的机制镍钛形状记忆合金是一种具有特殊记忆效应的合金材料，在应力或温度变化的作用下能够恢复到其之前的高温形状。
爆炸焊接技术是一种非常高效的焊接方法，可以快速、高效地焊接合金材料。
该试验研究的目的是探索利用爆炸焊接技术焊接镍钛形状记忆合金的可行性，并研究焊接过程中的材料性能以及焊接接头的力学性能。
在试验中，首先需要准备镍钛形状记忆合金的试样，并对其进行预处理，以确保试样的表面平整和清洁。
然后，将试样放置在焊接装置上，在预定的参数下进行焊接操作。
焊接过程中，利用爆炸能量将试样迅速加热至高温，并在冷却后形成焊接接头。
在焊接完成后，需要对焊接接头进行力学性能测试，包括拉伸、剪切和扭转等试验。
同时，还需要对焊接接头的微观结构进行观察和分析，以评估焊接接头的质量。
通过这些试验研究，可以评估镍钛形状记忆合金在爆炸焊接过程中的适用性，并了解爆炸焊接对材料性能和接头结构的影响，为进一步应用该焊接技术提供参考和指导。
在半导体中，光波能被吸收的机制主要有两种：直接过渡吸收和间接过渡吸收。
1. 直接过渡吸收：当光波的能量与半导体中的能带结构相对应时，光子与半导体中的电子直接发生能级间的跃迁，吸收能量。
具体来说，当入射光的波长与半导体材料的能带宽度相近时，光子能量足以使价带中的电子转移到导带中，从而发生吸收。
2. 间接过渡吸收：当光波的能量低于半导体的能带结构时，直接过渡吸收变得很少。
在这种情况下，光子的能量与半导体中的电子分布关系有所不同，需要通过间接过渡吸收机制。
具体来说，光子与半导体中的晶格振动相互作用，产生了声子，在动量守恒的条件下，通过与声子的相互作用，使得价带中的电子跃迁到导带中，从而发生吸收。
这种机制通常在低能区域的光波吸收过程中起主要作用。
三类植入医疗器械的异种金属材料激光焊接工艺【摘要】三类植入医疗器械需要进入人体血管组织并长期植入在人体，其尺寸小且精度要求高，需要通过激光焊接的工艺将显影用的铂、金、钽等材料焊接到不锈钢、钴铬合金、镍钛合金等三类医疗器械上。
【关键词】金属材料激光焊接，异种材料焊接，医疗器械目前三类植入医疗器械以金属零部件为主要组成部分，主要用的金属材料有316LVM不锈钢、L605和MP35N的钴铬合金、镍钛合金、钛合金等，这些金属材料本身在X射线下的显影效果不佳，因此通常要配合铂、铂-铱合金、金、钽等X射线不能透过的金属材料作为显影标记。
例如用形状记忆镍钛合金管材经过激光切割、热处理定型、电解抛光工艺制成的下肢外周血管支架，其两端通常每端需要2-4个显影点用以在手术时显示支架两端的位置。
通常在其由于不同金属材料的物理性能有较大差异，加上三类植入医疗器械本身尺寸小且精度要求高，给医疗器械上异种金属材料焊接带来极大挑战。
1、焊接材料分类和焊接过程1.1按照激光焊接特效对材料分类材料通过吸收激光发热，从固态变为熔融的液态甚至气化为气态，在这个过程中材料对激光的吸收效率是不同的。
当材料处于固态时，不同类型材料对激光的吸收效率有较大差异；当材料从固态变为液态时，激光能量的吸收会发生巨变；当材料气化时，入射的激光几乎全部被有效吸收。
因此选择合适的激光功率密度是激光焊接工艺的一个关键点：激光功率密度不足时，激光能量不足以将固态的金属熔化，达不到激光焊接目的；激光功率密度过高时，金属材料直接气化，会造成焊接孔洞等焊接缺陷。
按照材料熔化、汽化所需的功率密度，可以将材料分为三类。
表1：材料分类所需激光功率密度的目的是确保激光能量有效的耦合到材料表面，这个过程称为表面耦合效应。
建立此新表面通常需要几皮秒（1.0E-12秒）的时间，新表面的厚度通常为0.1um。
表面耦合效应必须得到保证，否则部分激光能量会被反射从而不起作用。
1.2异种材料激光可焊性的判别步骤一：查看每种合金的组成，并将合金元素按照第一部分的三种材料类别进行归类：1）如果合金元素成分属于同一类别，则确信可以焊接。
激光烧蚀原理
激光烧蚀原理是利用激光的高能量，使固体物质的表面快速升温，达到其熔化甚至汽化的温度，从而实现物质的清除。
具体来说，当激光的能量足够高时，就可以使得固体物质的表面达到熔化或者汽化的温度。
这个过程中，还会产生一种叫做等离子体的物质状态。
等离子体是由离子和电子等带电粒子构成的物质，具有高度的电导性和反射性。
在激光烧蚀过程中，等离子体的产生会影响激光的吸收和散射，从而影响烧蚀的效果。
激光烧蚀是一种极其精确的清洁技术，通过聚焦的激光束去除材料表面的微小部分。
激光照射表面以去除原子，可用于在非常硬的材料上钻出极小、深的孔，在表面上产生薄膜或纳米颗粒，以微米和纳米控制的方式制备表面等等。
然而，激光烧蚀也存在一些问题。
例如，它可以产生的微碎片以非常难以清除的方式融合到表面上，过度处理会导致材料转化为等离子体。
因此，使用激光烧蚀技术时，需要充分了解其原理、应用和潜在问题，以确保安全有效地进行操作。
第26卷第9期强激光与粒子束V o l.26,N o.9 2014年9月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S S e p.,2014飞秒激光烧蚀镍钛形状记忆合金的蚀除机理*唐一波1,陈冰2,陈志勇1,朱卫华1,李月华1,王新林1,2(1.南华大学电气工程学院,湖南衡阳421001;2.南华大学机械工程学院,湖南衡阳421001)摘要:结合双温模型的分子动力学模拟方法,研究了飞秒激光脉冲辐照B2结构镍钛合金时烧蚀阈值附近的靶材蚀除机制,数值模拟了中心波长为800n m,脉宽为100f s,能量密度为25~50m J/c m2的激光与90n m厚B2结构镍钛合金薄膜相互作用过程㊂确定了脉宽为100f s的脉冲激光与镍钛形状记忆合金相互作用的烧蚀阈值,发现烧蚀阈值条件下,靶材的蚀除机制是单纯基于应力作用的机械破碎;烧蚀阈值附近,未蚀除靶材受热影响发生无序化相变的区域较小,且随激光能量密度的降低而减小㊂提高激光功率密度,烧蚀同时呈现热机械蚀除和机械破碎机制㊂关键词:飞秒激光烧蚀; B2结构镍钛合金;双温模型;分子动力学模型中图分类号:0437; T N249文献标志码: A d o i:10.11884/H P L P B201426.091025由功能材料制备的微纳器件及结构表现出来的优越性能及其诱人的应用前景,使得功能材料微纳器件制备成为近年来超快激光微细加工领域的研究热点[1-4]㊂镍钛合金因在不同温度下可实现不同微观相结构间的可逆性转换而具备形状记忆功能,被称为形状记忆功能材料,在国防㊁军事㊁航天航空㊁生物医学以及工业等领域有着广泛的应用,镍钛形状记忆合金制备的微纳器件在医学应用等领域更是起着无可替代的作用[5-6]㊂而镍钛形状记忆合金的加工具有其特殊性,传统的加工方法产生的热效应或应力易引起加工区域产生相变,从而会改变镍钛合金的特性,影响加工零件的性能㊂加工过程带来的性能改变在微细加工中的影响尤为重要㊂因此探索新的更实用的镍钛合金微细加工方法具有重要意义㊂飞秒激光加工的超高精度㊁超小热影响区域及加工材料范围广等特性,使得采用飞秒激光进行无相变㊁微纳加工具有不可替代的优势[7-8]㊂近年来,激光技术不断的取得进展,使得飞秒激光加工有望成为镍钛形状记忆合金微纳加工的有效且先进的手段[9-12]㊂开展飞秒激光烧蚀镍钛形状记忆合金的数值模拟工作,探索不同激光参数条件下靶材的相变行为以及蚀除机制,进而为飞秒激光微纳㊁无相变加工提供理论基础和参数依据,对拓展镍钛合金的应用具有重大意义㊂L e o n i dV.Z h i g i l e i 等开展的分子动力学模拟工作总结得出,超快激光烧蚀金属时,热效应及烧蚀压力波共同作用导致靶材发生了蚀除,并提出机械破碎㊁裂散㊁液相爆炸等一系列靶材蚀除机制[13-14]㊂然而,更为详细的靶材蚀除机理以及微观蚀除现象还需进一步探讨㊂本文数值模拟并分析了飞秒激光与B2结构镍钛形状记忆合金靶材相互作用时,烧蚀阈值附近的靶材蚀除机理,给出了飞秒激光微纳㊁无相变加工镍钛形状记忆合金的参数区间㊂1数值模拟方法超快激光与金属靶材相互作用时,激光能量首先沉积到靶材电子,靶材电子被迅速加热至极高的温度,而晶格却仍处于相对 冷 的状态,导致了靶材电子与晶格之间的非热平衡㊂双温模型将靶材分为电子和晶格两个体系,分别计算电子㊁晶格体系的热传导,突破了传统热传导方程的局限,较为准确地描述了超快激光辐照下,金属靶材的非热平衡能量弛豫过程㊂而分子动力学通过求解靶材原子体系的牛顿力学方程组,追踪了靶材每一个原子的运动,详细地描述了靶材去除㊁相变等微观过程㊂结合双温模型的分子动力学方法,具备了双温模型和分子动力学的所有优点,是研究超快激光与金属材料相互作用最为常用的方法㊂描述双温模型的双温方程为C e∂T e∂t=∂∂z(k e∂T e∂z)-g(T e-T l)+S(z,t)(1)C l∂T l∂t=-∂∂z(k l∂T l∂z)+g(T e-T l)S(z,t)=I(t)(1-R)αe x p(-αz)*收稿日期:2013-12-10;修订日期:2014-04-17基金项目:国家自然科学基金项目(11174119);南华大学重点学科建设资助项目(N H X K04)作者简介:唐一波(1988 ),男,硕士研究生,主要从事超快激光与金属相互作用方面的研究;t y b19880810@s i n a.c o m.c n㊂通信作者:王新林(1970 ),男,博士㊁教授,主要从事激光与光电子技术及应用方面的研究;w x l_l y000@y a h o o.c o m.c n㊂091025-1091025-2 电子温度远小于费米温度时,C e (T e )=C e 0T e 为电子热容,其中C e 0是电子热容常量;C l 是晶格热容;k e ,k 1分别为电子㊁晶体热导率;T e ,T l 分别为电子㊁晶格温度;g 为电子晶格耦合系数;S (z ,t )表示激光光源项;R 为材料对激光的表面反射率;α为材料的吸收系数;z 为激光传输方向;I (t)表示激光光强随时间的分布㊂将飞秒脉冲激光沉积到靶材的能量以速度均衡力的形式耦合到靶材晶格体系,从而实现双温模型与分子动力学的结合㊂结合双温模型的分子动力学模拟中靶材原子体系运动方程组为m i ∂2r i ∂t 2=F i +u m i v i (2)F i =-Ñr i E t o t a l (3)式中:F i 为第i 个原子无外加载情况下靶材场受力;m i ,r i ,v i 分别为第i 个原子的质量㊁位置和速度;E t o t a l 为势能;u 为速度均衡因子,其大小主要与飞秒激光作用下金属内部电子晶格温度之差有关,均衡因子为u =ðnk =1g V N (T e -T l [])/n ˑði m i (v i )[]2(4)式中:V N 为模拟区域第N 层的体积㊂采用第二动量紧束缚势描述[15-16],势函数截断半径r c =0.42n m ㊂E t o t a l =ði ðj ʂi A αβe x p -p αβr i j d αβ-æèçöø÷éëêêùûúú1-ðj ʂi ξ2αβe x p -2q αβr i j d αβ-æèçöø÷éëêêùûúú{}1(5)式中:α和β表示原子种类;r i j 表示原子i 和j 之间的距离;参量A αβ,ξαβ,p αβ,q αβ的大小由原子间结合能㊁弹性常量㊁空穴形成能和晶格常量决定;d αβ表示原子之间的最邻近距离㊂计算B 2结构镍钛形状记忆合金热物性参数[17],双温方程采用对三角矩阵追赶法进行差分化求解,并根据冯㊃诺依曼稳定性判据原理:t F D <0.5(Δz F D )2C e (T e )/k e (T e ,T l ),取时间差分步长t F D 为0.1f s ,空间差分步Δz F D 为1n m ㊂靶材原子体系运动方程组采用V e r l e t 积分算法进行计算㊂模拟对象为体心立方结构的B 2镍钛形状记忆合金材料,靶材体系由5ˑ5ˑ90个晶胞组成,横向尺寸1.5n mˑ1.5n m ,纵向深度90n m ,总原子数为15000㊂取x O y 坐标面为横向界面,z 为纵向深度方向,激光脉冲沿z 轴入射㊂x ,y 方向施加周期性边界条件,底部施加压力传输边界条件[18]㊂采用热力学统计方法进行温度计算,基于维里理论进行压力统计[19]㊂T l =ði m i (v i )2/(3k B N )(6)p =ρk B T l +16V <ðNi =1ðj ʂi F i j ㊃r i j >(7)式中:ρ为原子密度;k B 为波耳兹曼常数;V 为体积;F i j 为第i 个原子与第j 个原子之间的相互作用力;模拟在300K 的室温下进行㊂2 结果及讨论数值模拟时,选用典型的商用化钛宝石飞秒激光器参数,脉宽为100f s ,中心波长为800n m ㊂为探寻飞秒激光与B 2镍钛合金相互作用的烧蚀阈值,在参考飞秒激光与单质金属相互作用的烧蚀机理后,选取能量密度区间为25~50m J /c m 2,以5m J /c m 2为间隔,并在阈值附近密集采样㊂分别计算了脉宽为100f s,各能量密度的激光与90n m 厚B 2结构镍钛合金薄膜相互作用的温度场㊁压力场时空分布以及原子位型㊂激光在1p s 时刻加载,整个模拟时间持续30p s ㊂2.1 烧蚀阈值烧蚀阈值是靶材开始发生蚀除的临界值,是飞秒激光加工中参数选择与工艺优化的重要判据㊂分子动力学模拟时,追踪每一个原子的运动,靶材的原子位型图包含了每一个原子的位置信息,有效地呈现了飞秒激光与B 2结构镍钛合金靶材相互作用时靶材 相变-断裂-去除 的过程㊂数值模拟时,只有60n m 以上区域发生了相变,为了清晰呈现靶材的相变过程,原子位型图只摘取60n m 以上的区域原子位置信息㊂脉宽为100f s ,能量密度分别为40,40.5和41m J /c m 2时,激光脉冲与B 2结构镍钛合金靶材相互作用时靶材辐照中心处的原子位型(蓝色点和红色点分别代表N i 原子和T i 原子)如图1(a ),(b ),(c )所示㊂如图1(a )所示,脉宽为100f s ,能量密度为40m J /c m 2的激光烧蚀时,靶材表层出现无序化,但直到30p s也未出现明显的原子分层与晶格断裂,表明无烧蚀现象发生㊂图1(b ),(c )先后在19p s 左右出现原子分层,在30p s 时分层明显,发生断裂㊂表明在该能量密度下发生烧蚀现象,但此条件下,靶材底层原子排列依然比较规强激光与粒子束091025-3F i g .1 S n a p s h o t s f r o mt h em o l e c u l a r d y n a m i c (M D )s i m u l a t i o no f l a s e r i r r a d i a t i o no naB 2N i T i a l l o y t a r ge t w i t h t h e p u l s e d u r a t i o nof 100f s a n dd i f f e r e n t f l u e n c e图1 脉宽为100f s ,不同能量密度激光脉冲辐照靶材分子动力学模拟原子位型图则㊂由图1(a ),(b ),(c )可得,脉宽为100f s 的激光与B 2结构镍钛合金靶材相互作用,能量密度约为40.5m J/c m 2时,开始发生烧蚀㊂即脉宽为100f s 的激光与B 2镍钛合金靶材相互作用的烧蚀阈值约为40.5m J /c m 2㊂2.2 烧蚀阈值附近靶材蚀除机理烧蚀阈值附近的靶材蚀除机理,可以揭示靶材开始发生蚀除的物理本质,为提高飞秒激光加工的质量及优化加工参数提供了理论指导㊂脉宽为100f s 时,飞秒激光与B 2结构镍钛合金靶材相互作用的烧蚀阈值为40.5m J /c m 2,其靶材内部温度场㊁压力场时空分布分别如图2(a ),(b )所示㊂F i g .2 T h e t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e f i e l dd i s t r i b u t i o n i n t i m e a n d s pa c e f r o mt h eM Ds i m u l a t i o no f l a s e r i r r a d i a t i o no n aB 2N i T i a l l o y fi l m w i t h p u l s e d u r a t i o no f 100f s a n d f l u e n c e o f 40.5m J /c m 2图2 脉宽为100f s ,能量密度为40.5m J /c m 2的激光辐照B 2结构镍钛合金靶材分子动力学模拟温度场㊁压力场时空分布图2(a )中,红色表示熔点以上温度(1583K 以上),黄色表示热影响温度(1200~1583K ),由图2(a )可知,能量密度为40.5m J /c m 2的激光作用后,25n m 以上靶材温度达到熔点,发生熔化㊂25~50n m 的靶材温度达到热影响临界温度,晶格发生无序化相变㊂图2(b )中,黄色代表数值为正的压力,蓝色代表数值为负的拉应力,红色代表发生压力集中,深蓝色代表发生拉应力集中㊂由图2(b )可知,烧蚀时,在靶材的次表层形成压力集中,在25n m 以上相变较大的区域形成数值为负的应力场,在25n m 以下相变较小的区域形成拉应力集中㊂结合图2(a ),(b )与图1(b )可知,靶材在拉应力波叠加作用下,在温度熔点以下的35n m 处发生了蚀除㊂图2(a ),(b )中的靶材蚀除过程在图1(b )中得到了很好的呈现㊂图1(b )所示,19p s 时刻,35n m 处无序化的晶格在拉应力叠加作用下发生拉裂,产生裂隙㊂接下来裂隙持续生长,并于26p s 时刻,将靶材拉断,被拉断的靶材以约500m /s 的速度向外喷射,最终发生蚀除㊂由此可得,烧蚀阈值时,激光与B 2结构镍钛合金靶材相互作用产生的拉应力波叠加作用于受热影响发生无序化相变的晶格,导致靶材断裂,发生蚀除,蚀除机制是单纯基于应力作用的机械破碎[13]㊂烧蚀阈值附近,脉宽为100f s ,能量密度41m J /c m 2的激光与B 2结构镍钛合金靶材相互作用时,靶材内部温度场㊁压力场时空分布分别如图3(a ),(b )所示㊂由图3(a ),(b )可知,脉宽为100f s ,能量密度为41m J /c m 2的激光与B 2结构镍钛合金靶材相互作用,靶材内部温度场㊁压力场时空分布以及在热传导作用下发生熔化和无序化相变的区域与烧蚀阈值时基本相同㊂然而,41m J /c m 2的激光烧蚀时,靶材在拉应力的作用下,在温度达到熔点的24n m 处发生了蚀除㊂图3(a ),(b )中的热熔化与拉应力共同作用导致靶材发生蚀除的过程在图1(c )中得到了很好的呈现㊂图1(c )所示,18p s 唐一波等:飞秒激光烧蚀镍钛形状记忆合金的蚀除机理091025-4F i g .3 T h e t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e f i e l dd i s t r i b u t i o n i n t i m e a n d s pa c e f r o mt h eM Ds i m u l a t i o no f l a s e r i r r a d i a t i o no n aB 2N i T i a l l o y fi l m w i t h t h e p u l s e d u r a t i o no f 100f s a n d f l u e n c e o f 41m J /c m 2图3 脉宽为100f s ,能量密度为41m J /c m 2的激光辐照B 2结构镍钛合金靶材分子动力学模拟温度场㊁压力场时空分布时刻,24n m 处熔融的靶材,在拉应力的作用下产生空穴㊂随即空穴持续生长,并于30p s 时刻,将靶材完全蚀断,发生蚀除㊂由此可得,脉宽为100f s ,能量密度为41m J /c m 2的激光与B 2结构镍钛合金相互作用时,热熔化与拉应力共同作用导致靶材发生蚀除,蚀除机制是基于熔化与应力作用结合的热机械蚀除[14]㊂结合烧蚀阈值附近的烧蚀现象,可以得出,脉宽为100f s ,能量密度位于烧蚀阈值附近的激光与B 2结构镍钛合金相互作用时,交替出现了机械破碎和热机械蚀除的现象㊂2.3 较高能量密度的烧蚀现象在烧蚀阈值附近,能量密度相近的激光烧蚀,靶材内部温度场和压力场时空分布基本相同的情况下,交替出现了机械破碎和热机械蚀除的现象㊂极有可能在烧蚀过程中,两种蚀除机制是同时作用的,但是在某种参数条件下,一种蚀除机制可能呈现出较强的效应㊂为了验证这一假设,我们观察了较高能量密度下的烧蚀现象㊂脉宽为100f s ,激光能量密度为50m J /c m 2的激光脉冲与B 2结构镍钛合金靶材相互作用时,靶材内部温度场㊁压力场时空分布以及原子位型演化图分别如图4(a ),(b ),(c)所示㊂F i g .4 T h e t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e f i e l dd i s t r i b u t i o n i n t i m e a n d s p a c e ,a sw e l l a s t h e s n a ps h o t s o f a t o m i c p o s i t i o n s f r o mt h e M Ds i m u l a t i o no f l a s e r i r r a d i a t i o no naB 2N i T i a l l o y fi l m w i t h t h e p u l s e d u r a t i o no f 100f s a n d f l u e n c e o f 50m J /c m 2图4 脉宽为100f s ,能量密度为50m J /c m 2的激光辐照B 2结构镍钛合金靶材分子动力学模拟温度场㊁压力场时空分布以及瞬时原子位型图 图4(a )中,靶材30n m 以上区域发生了热熔化,30~55n m 区域的晶格受热影响发生了无序化相变,对比图4(a )和图2(a )可知,图4(a )中发生热熔化和无序化相变的区域比图2(a)中大㊂由此可得,相同脉宽的激光烧蚀时,能量密度越高,靶材发生热熔化和无序化相变的区域越大㊂结合4(a ),(b ),(c )可得,脉宽为100f s ,能量密度为50m J /c m 2的激光与B 2结构镍钛合金靶材相互作用时,热机械蚀除和机械破碎同时作用,分别于20n m 处和35n m 处诱使靶材发生蚀除,假设得到了验证㊂由图1(b ),(c )和图4(c )可得,脉宽为100f s 的激光与B 2结构镍钛合金靶材相互作用,能量密度为40.5m J /c m 2时,未蚀除靶材发生无序化相变区域约为14n m ;能量密度为41m J /c m 2时,未蚀除靶材发生无序化相变区域约为26n m ;能量密度为50m J /c m 2时,未蚀除靶材发生无序化相变区域约为26n m ㊂烧蚀阈值附近时,机械破碎相对于热机械蚀除而言祛除的靶材更多,未蚀除靶材受热影响发生无序化相变的区域更小㊂随着激光能量密度的增加,未蚀除靶材受热影响发生无序化相变的区域增大㊂强激光与粒子束唐一波等:飞秒激光烧蚀镍钛形状记忆合金的蚀除机理3结论采用结合双温模型的分子动力学的方法,数值模拟了脉宽为100f s,能量密度在25~50m J/c m2区间的飞秒激光与B2结构镍钛合金相互作用㊂结果发现,脉宽为100f s的激光与镍钛合金靶材相互作用时,烧蚀阈值为40.5m J/c m2;烧蚀阈值条件下,靶材蚀除机制是单纯基于应力作用的机械破碎㊂在烧蚀阈值附近,靶材蚀除的机制是热机械蚀除和机械破碎同时作用,但在特定参数条件下其中的一种蚀除机制效应更明显,从而呈现出随能量密度变化交替出现热机械蚀除和机械破碎现象;较高能量密度条件下,同时呈现热机械蚀除和机械破碎机制㊂烧蚀阈值附近,未蚀除靶材发生无序化相变的区域较小,且随激光能量密度的下降而减小,由此可见,烧蚀阈值附近是镍钛形状记忆合金微纳㊁无相变加工的理想参数区间㊂参考文献:[1] A l v a r e z-P u e b l aR,L i z-M a r z췍nL M,G a r cía d eA b a j oF J.L i g h t c o n c e n t r a t i o n a t t h e n a n o m e t e r s c a l e[J].T h e J o u r n a l 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r y a l l o yT a n g Y i b o1, C h e nB i n g2, C h e nZ h i y o n g1, Z h u W e i h u a1, L iY u e h u a1, W a n g X i n l i n1,2(1.D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g,U n i v e r s i t y o f S o u t hC h i n a,H e n g y a n g421001,C h i n a;2.D e p a r t m e n t o f M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,U n i v e r s i t y o f S o u t hC h i n a,H e n g y a n g421001,C h i n a)A b s t r a c t: T h em e c h a n i s mo f f e m t o s e c o n d(f s)l a s e r a b l a t i n g B2N i T i a l l o y h a v e b e e n i n v e s t i g a t e db y t h em o l e c u l a r d y n a m i c s i m u l a t i o n s c o m b i n e dw i t h t h e t w o-t e m p e r a t u r em o d e l.As e r i e s o f s i m u l a t i o n sh a v eb e e nc o n d u c t e d,i nw h i c h,t h e l a s e ru s e d i s 800n mi n c e n t r a lw a v e l e n g t h,100f s i n p u l s ed u r a t i o n,a n d f r o m25m J/c m2t o50m J/c m2a t f l u e n c e.T h e t a r g e t i s90n mi n d e p t h.T h e f l u e n c e t h r e s h o l d f o r100f s p u l s e d l a s e r a b l a t i n g N i T i s h a p em e m o r y a l l o y i s d e t e r m i n e d,a n d i t i s f o u n d t h a t t h e t a r-g e t i r r a d i a t e db y t h r e s h o l df l u e n c e i sa b l a t e d w h o l l y d u e t ot h e t e n s i l ea n dt h eh e a t i n d u c e d p h a s ec h a n g ea r e a i st h es m a l l e s t. W h e n t h e f l u e n c e i s i m p r o v e d,t h e p h a s e c h a n g e a r e a e x p a n d e d.K e y w o r d s:f e m t o s e c o n d l a s e r a b l a t i o n; B2N i-T i a l l o y;t w o-t e m p e r a t u r em o d e l; m o l e c u l a r d y n a m i c s s i m u l a t i o nP A C S:42.50.W k;47.11.M n091025-6。
