一种用于飞秒激光烧结金属纳米颗粒的模拟方法

本发明属于飞秒激光微纳加工金属材料，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：

1、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。

技术实现思路

1、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。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、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：

4、(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。

5、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。

6、(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：

7、

8、其中j,tp,r和lop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。

9、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：

10、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，

11、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，

12、然后，通过遍历所有被标记的网格，使用上述公式计算出在该飞秒激光辐照下，沉积在每个电子网格中的激光能量。

13、(3)建立双温方程耦合分子动力学模型模拟飞秒激光辐照下金属纳米颗粒的烧结过程。双温方程描述了飞秒激光辐照下，激光光子首先被金属纳米颗粒中的电子吸收，随后能量通过电子声子耦合传递给晶格的物理过程。在本发明中，主要使用了公式(2)所示的表达式：

14、

15、其中，te和tl分别表示电子温度与晶格温度，ce，ke和ge-ph分别代表电子热容，电子热导率和电声耦合系数，为金属纳米颗粒的热学特性，s表示公式(1)中所述激光能量源项。根据公式(2)计算出在公式(1)所描述的激光能量源项作用下，每个电子网格中的电子温度te，进而得到金属纳米颗粒的电子温度分布。同时计算出纳米颗粒中每个电子网格通过电子声子耦合所传递给晶格的能量，即电子声子耦合能量。

16、更进一步的，金属纳米颗粒的热学特性，将分别采用如下表达式进行计算：

17、

18、其中，a0～a4为常数，该常数是通过量子处理方法计算所得的电子热容拟合获得的。

19、ke＝λce   (4)

20、其中λ为热扩散系数。

21、

22、其中，g0为金属材料在室温下的电声耦合系数，ae和bl分别为电子和电子碰撞频率以及电子和声子碰撞频率。

23、随后通过双温方程耦合分子动力学进行计算纳米颗粒中原子运动的信息，具体为通过分子动力学将所得的电子声子耦合能量转化为力的形式施加在纳米颗粒的每个原子上进行计算，从而得到纳米颗粒中每个原子的运动信息，进一步获得纳米颗粒中的晶格温度分布以及颗粒的烧结过程。

24、分子动力学所使用的基本方程如下：

25、

26、其中，下标i代表第i个原子，m,v分别表示原子的质量和速度，u(r1,…rn)是通过势函数计算获得的原子系统的势能。是langevin力，代表电子声子耦合能量通过力的形式施加在原子上。

27、通过步骤(2)(3)获得了一个时间步上飞秒激光烧结金属纳米颗粒的热力学与动力学信息，在新的时间步内，重复进行步骤(2)(3)即可更新相应的信息，最终获得飞秒激光烧结金属纳米颗粒这一过程的时空信息。

28、有益效果：

29、(1)本发明考虑了飞秒激光在金属纳米颗粒内部的能量沉积，模拟中的飞秒激光呈高斯分布，不再将飞秒激光辐照视为恒定的热流输入，建立的能量沉积模型考虑了激光与金属纳米颗粒的相互作用，更接近实际情况。

30、(2)使用动态材料物性参数，考虑了飞秒激光与金属纳米颗粒相互作用导致其热物性发生变化。根据双温方程与分子动力学模拟，可以获得金属纳米颗粒的电子温度分布以及晶格温度分布，更进一步的，可以获得金属纳米颗粒中原子的运动信息，从而实现纳米颗粒烧结的模拟。

31、(3)采用该模拟方法可以在仅使用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。

32、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种用于飞秒激光烧结金属纳米颗粒的模拟方法，其特征在于包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种用于飞秒激光烧结金属纳米颗粒的模拟方法，其特征在于：激光能量源项使用高斯分布，其在表达式如下：

3.如权利要求1所述的一种用于飞秒激光烧结金属纳米颗粒的模拟方法，其特征在于：采用如下方法获得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，作为受该激光能量源辐照下金属纳米颗粒的表面；然后，通过遍历所有被标记的网格，使用式(1)计算出在该飞秒激光能量源辐照下，沉积在每个电子网格中的能量。

4.如权利要求1所述的一种用于飞秒激光烧结金属纳米颗粒的模拟方法，其特征在于：所述双温方程耦合分子动力学模型表达式：

5.如权利要求4所述的一种用于飞秒激光烧结金属纳米颗粒的模拟方法，其特征在于：金属纳米颗粒的热学特性，将分别采用如下表达式进行计算：

技术总结
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。

技术研发人员：姜澜,吉鹏飞,郭建吾
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13