超短脉冲激光作用下金属薄膜热弹响应的宏细观研究

随着激光脉冲宽度不断减小(至阿秒)、功率不断提高(TW)，超短脉冲能够以极快的速度将其全部能量注入到很小的作用区域，为超短脉冲在金属材料微尺度高精度加工和表面处理提供了技术支撑。本申请建立基于电子-声子双温度超快热弹性理论的有限元控制方程，探求有限元方程高效、准确的求解方法，克服有限差分和积分变换解法引入误差对结果的影响；将建立的高效求解方法用于二维以上超快热弹性问题研究，掌握材料参数随温度变化对热弹响应的影响；建立基于双曲电子温度的双温度-分子动力学联合模型，准确描述电子温度传播的波动性；建立联合模型中电子温度的有限元控制方程及高效的求解方法，获得高精度的电子温度分布，并将有限元法和分子动力学方法联合，获得超快热弹性问题的准确描述。通过宏观和宏微观结合的系统研究，掌握超快热弹性问题热弹响应特征和响应的微观机理，为超短脉冲激光在金属微尺度精细加工中的应用提供理论指导。

激光脉冲宽度不断减小(至阿秒)、功率不断提高(TW)，为超短脉冲激光用于金属材料微尺度高精度加工和表面处理提供了技术支撑。项目建立了基于双曲电子温度的分子动力学—双温度超快热弹性模型，获得分子动力学—差分法相结合的高精度超快热弹性问题求解方法，利用所建立模型和方法研究了铜薄膜受到飞秒激光脉冲作用的热弹性响应问题，发现当脉冲宽度与电子热松弛时间相当或更小时，抛物和双曲电子温度超快热弹性模型预测结果差异显著，说明电子热松弛效应影响显著。同时发现，不计电子热松弛时间将使应力、温度和位移等的预测值偏小，即预测偏于危险；建立了基于广义热弹性/扩散理论的有限元控制方程及时间域求解方法，分别研究了带孔洞功能梯度无限大体、无限大板以及双层金属薄膜等的热弹性响应问题，通过结构的温度、应力等响应获得不同参数对瞬态热弹性响应的影响，为改善结构的热弹性能提供指导；总结了最近10年广义热弹性问题的研究进展，并为此领域进一步研究提供指导；结合广义热弹性问题研究的最新进展，某些材料，如无定形介质、多孔以及生物材料等，热弹性行为的准确描述需要采用分数阶导数形式，我们建立了分数阶广义电磁热弹理论、带有微结构模型的分数阶广义热弹性理论及记忆相关导数的新型广义热弹性模型，并结合Eringen非局部模型建立了尺度相关广义热弹性模型。通过分析发现，分数阶热弹性理论可克服整数阶广义热弹性理论一些缺陷，使得热弹性响应预测更加准确、合理。同时，在项目的资助下，我们还进行了碳纳米管及其纳米复合材料热机性能的研究，结果对准确认识碳纳米管及其复合材料热机性能具有重要的指导作用。项目共发表期刊论文17篇，SCI收录15篇。