[發明專利]一種用于飛秒激光燒結金屬納米顆粒的模擬方法

在審

• 申請號: 202310433491.8
• 申請日: 2023-04-21
• 公開（公告）號: CN116469493A
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發明（設計）人: 姜瀾;吉鵬飛;郭建吾
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G16C60/00
• 分類號: G16C60/00;G16C10/00;G06F30/20;G06F119/08;G06F113/10
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

本發明涉及一種用于飛秒激光燒結金屬納米顆粒的模擬方法，屬于飛秒激光微納加工金屬材料技術領域。所述方法在納米尺度建立金屬納米顆粒模型，通過構建雙溫方程模型計算金屬納米顆粒中電子溫度分布演化以及電子聲子耦合能量，通過分子動力學模擬獲取金屬納米顆粒的原子運動以及相應的納米顆粒燒結過程。本發明充分考慮了納米顆粒曲面表面對于激光能量沉積的影響，通過模擬結果可以獲取金屬納米顆粒燒結的機理，從而對加工過程產生指導，避免了單一分子動力學模型無法考慮材料中電子對激光響應的影響。

技術領域

本發明屬于飛秒激光微納加工金屬材料技術領域，特別涉及一種用于飛秒激光燒結金屬納米顆粒的模擬方法。

背景技術

傳統的制造手段在復雜微納器件的制造領域面臨著時間與空間分辨率等多種挑戰，而激光增材制造是近些年來迅速發展的一種快速原型制造方法，可以滿足各種微納器件的制造。激光增材制造技術使用激光作為熱源，因此最終加工質量與激光是密切相關的。飛秒激光由于其與加工材料的超短相互作用時間和較低熱影響，在提高激光增材制造技術的加工質量，增加空間分辨率方面顯示出廣闊的應用前景。圍繞激光與原材料，即納米粉末層的相互作用的機理研究并不少見。然而對于在激光誘導下，尤其是飛秒激光的作用下，金屬納米顆粒之間生成燒結頸并逐步燒結的理論探究并不豐富。飛秒激光相對于長脈沖激光，能夠激發金屬納米顆粒中電子與晶格的非平衡。這一非平衡過程是多階段的，存在電子向晶格傳遞能量并影響晶格破壞從而發生相變，因此單一模型不足以準確的描述整個過程。目前關于飛秒激光燒結金屬納米顆粒的研究大多集中在使用單一的分子動力學模擬這一過程，將飛秒激光簡化為一熱源，同時簡化了飛秒激光輻照對于金屬納米顆粒熱物性的影響；另一方面，被簡化的飛秒激光無法體現出納米顆粒對于激光的吸收情況，從而影響到對飛秒激光燒結金屬納米顆粒的模擬的準確性。在實際情況中，飛秒激光的輻照將導致金屬納米顆粒的熱物性發生變化，同時顆粒的形狀對于激光的吸收也有不同程度的影響，因此，建立一種能準確描述飛秒激光燒結金屬納米顆粒的模擬方法，對于激光微納增材技術的機理解釋以及飛秒激光燒結納米顆粒的預測是很有必要的。

發明內容

鑒于現有技術的上述不足，本發明的目的是提供一種用于飛秒激光燒結金屬納米顆粒的模擬方法。該方法考慮了激光被納米顆粒吸收導致材料熱物性變化以及飛秒激光能量在金屬納米顆粒內部的沉積，本發明可以通過改變激光參數，顆粒粒徑來模擬不同飛秒激光與任意數量的球形納米顆粒之間的相互作用，從而預測納米顆粒的燒結情況。采用該模擬方法可以在僅消耗計算資源的情況下預測飛秒激光輻照下金屬納米顆粒的燒結情況，幫助研究人員選取合理的參數進行實驗，從而有效節省實驗耗材，節約實驗成本。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種用于飛秒激光燒結金屬納米顆粒的模擬方法，包括以下步驟：

(1)建立金屬納米顆粒模型，并使用細網格對顆粒進行進一步細分，作為納米顆粒的電子網格。

由于模擬的是飛秒激光燒結金屬納米顆粒的過程，需要包含這一過程的時空信息，因此，步驟(2)(3)所描述的時在一個時間步上的步驟。

(2)由于激光光斑半徑遠大于金屬納米顆粒的粒徑，因此僅考慮沿激光輻照方向的衰減。激光能量源項使用高斯分布，其在表達式如下：

其中J,t_p,R和L_op分別為激光通量、激光脈寬、材料的光學特性反射率和光學透射深度，z代表激光沿透射方向的深度，t代表激光輻照的時間。

更進一步的，采用如下方法獲得所述激光能量源項沉積在金屬納米顆粒的電子網格中的能量：

首先，對所有電子網格進行遍歷，并對電子網格中存在原子的電子網格進行標記，

接著，識別出沿著激光輻照方向上首個被標記的電子網格，作為受該激光輻照下金屬納米顆粒的表面，