[发明专利]一种用于飞秒激光烧结金属纳米颗粒的模拟方法

说明书

本发明涉及一种用于飞秒激光烧结金属纳米颗粒的模拟方法，属于飞秒激光微纳加工金属材料技术领域。所述方法在纳米尺度建立金属纳米颗粒模型，通过构建双温方程模型计算金属纳米颗粒中电子温度分布演化以及电子声子耦合能量，通过分子动力学模拟获取金属纳米颗粒的原子运动以及相应的纳米颗粒烧结过程。本发明充分考虑了纳米颗粒曲面表面对于激光能量沉积的影响，通过模拟结果可以获取金属纳米颗粒烧结的机理，从而对加工过程产生指导，避免了单一分子动力学模型无法考虑材料中电子对激光响应的影响。

技术领域

本发明属于飞秒激光微纳加工金属材料技术领域，特别涉及一种用于飞秒激光烧结金属纳米颗粒的模拟方法。

背景技术

传统的制造手段在复杂微纳器件的制造领域面临着时间与空间分辨率等多种挑战，而激光增材制造是近些年来迅速发展的一种快速原型制造方法，可以满足各种微纳器件的制造。激光增材制造技术使用激光作为热源，因此最终加工质量与激光是密切相关的。飞秒激光由于其与加工材料的超短相互作用时间和较低热影响，在提高激光增材制造技术的加工质量，增加空间分辨率方面显示出广阔的应用前景。围绕激光与原材料，即纳米粉末层的相互作用的机理研究并不少见。然而对于在激光诱导下，尤其是飞秒激光的作用下，金属纳米颗粒之间生成烧结颈并逐步烧结的理论探究并不丰富。飞秒激光相对于长脉冲激光，能够激发金属纳米颗粒中电子与晶格的非平衡。这一非平衡过程是多阶段的，存在电子向晶格传递能量并影响晶格破坏从而发生相变，因此单一模型不足以准确的描述整个过程。目前关于飞秒激光烧结金属纳米颗粒的研究大多集中在使用单一的分子动力学模拟这一过程，将飞秒激光简化为一热源，同时简化了飞秒激光辐照对于金属纳米颗粒热物性的影响；另一方面，被简化的飞秒激光无法体现出纳米颗粒对于激光的吸收情况，从而影响到对飞秒激光烧结金属纳米颗粒的模拟的准确性。在实际情况中，飞秒激光的辐照将导致金属纳米颗粒的热物性发生变化，同时颗粒的形状对于激光的吸收也有不同程度的影响，因此，建立一种能准确描述飞秒激光烧结金属纳米颗粒的模拟方法，对于激光微纳增材技术的机理解释以及飞秒激光烧结纳米颗粒的预测是很有必要的。

发明内容

鉴于现有技术的上述不足，本发明的目的是提供一种用于飞秒激光烧结金属纳米颗粒的模拟方法。该方法考虑了激光被纳米颗粒吸收导致材料热物性变化以及飞秒激光能量在金属纳米颗粒内部的沉积，本发明可以通过改变激光参数，颗粒粒径来模拟不同飞秒激光与任意数量的球形纳米颗粒之间的相互作用，从而预测纳米颗粒的烧结情况。采用该模拟方法可以在仅消耗计算资源的情况下预测飞秒激光辐照下金属纳米颗粒的烧结情况，帮助研究人员选取合理的参数进行实验，从而有效节省实验耗材，节约实验成本。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于飞秒激光烧结金属纳米颗粒的模拟方法，包括以下步骤：

(1)建立金属纳米颗粒模型，并使用细网格对颗粒进行进一步细分，作为纳米颗粒的电子网格。

由于模拟的是飞秒激光烧结金属纳米颗粒的过程，需要包含这一过程的时空信息，因此，步骤(2)(3)所描述的时在一个时间步上的步骤。

(2)由于激光光斑半径远大于金属纳米颗粒的粒径，因此仅考虑沿激光辐照方向的衰减。激光能量源项使用高斯分布，其在表达式如下：

其中J,t_p,R和L_op分别为激光通量、激光脉宽、材料的光学特性反射率和光学透射深度，z代表激光沿透射方向的深度，t代表激光辐照的时间。

更进一步的，采用如下方法获得所述激光能量源项沉积在金属纳米颗粒的电子网格中的能量：

首先，对所有电子网格进行遍历，并对电子网格中存在原子的电子网格进行标记，

接着，识别出沿着激光辐照方向上首个被标记的电子网格，作为受该激光辐照下金属纳米颗粒的表面，