多场耦合下瞬态热冲击响应的宏微观分析

发布时间：2018-03-06 00:07

本文选题：广义热弹性理论　切入点：超快热弹性理论　出处：《西安交通大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着超短脉冲激光技术(10-18秒-10-12秒,阿秒-皮秒)的发展及微电子器件的广泛应用,时间极短情形下的热机耦合问题受到越来越多的关注。已有的研究指出当施加热荷载的时间与介质的热松弛(thermal relaxation)时间相当、及介质材料的特征尺寸(characteristic dimension)小于或与热载子(thermal carriers)的平均自由程(mean free path)相当时,基于经典傅里叶(Fourier)热传导定律的经典热弹性理论所预测的热的无限大传播速度不能很好地符合实验观测结果。为了适应超短脉冲激光技术及微电子器件的发展需要,克服经典热弹理论的缺陷,准确描述时间极短情形下的热机耦合现象,人们建立起多种可以描述热的波动效应(热以有限速度传播)的广义热弹性理论,其中被广泛采用的有Lord-Shulman(L-S)型、Green-Lindsay(G-L)型和Green-Naghdi(G-N)型这三种广义热弹性理论,这三种理论均能表征热在介质中的传播速度是有限的,固体的第二声(second sound)效应被很好地呈现。金属材料的热传输主要是通过电子-声子的相互耦合来完成的:一、电子直接吸收能量被加热;二、电子通过与声子(晶格)的碰撞来加热晶格,从而使金属升温并使能量向更远处传播。由于其特殊的热传输机理,人们建立了超快热弹性理论。本文基于广义热弹性理论,首先采用有限元的方法对层合材料板界面的瞬态热弹耦合行为以及功能梯度介质、多孔材料中热、磁、弹等多场耦合问题开展研究;考虑介质内微颗粒的微极与微伸效应,研究了电磁介质受到热冲击作用的广义热弹性响应;基于超快热弹性理论,计及材料热力学属性随温度变化,研究了激光脉冲加热单层与双层金属薄膜的超快热弹性问题。进而考虑电子的热波动效应,提出了双曲型两步热传输-分子动力学模型(HTTM-MD),采用分子动力学方法研究了飞秒激光作用下金纳米薄膜中超快热弹耦合响应。最后,从物理学中波的观点出发,基于广义热弹性理论推导了由热冲击诱导的高频热弹性波波速的表达式,并讨论了多场耦合效应对波速的影响以及热波与弹性波的特点。主要工作如下:1)建立了基于G-L广义热弹性理论的有限元控制方程,研究了瞬态热冲击下层合材料板界面的热弹性行为,得到了两种不同热导系数、比热容、热松弛时间、密度等复合板材料界面处热、变形、应力等的演化特点,探讨了各材料参数对界面热行为的影响特点,给出了各材料参数对热行为影响程度的比较。2)基于G-N热弹理论Ⅱ、Ⅲ模型,利用有限元方法讨论了含圆柱形隧洞且材料物性参数随隧洞半径梯度变化的无限大体在隧洞表面局部受到阶跃热载荷冲击作用的二维热弹耦合问题,得到了无限大功能梯度体的热弹性响应,还讨论了功能梯度参数对材料热弹性响应的影响,最后研究了G-N热弹理论Ⅱ、Ⅲ模型各自的特点以及Ⅲ模型中耗散系数的影响。3)考虑材料内微结构的微极与微伸效应,研究了放置在磁场中表面受到条带状热冲击热弹性板的二维热弹性问题。得到材料板的热弹性行为,发现,微伸效应对材料的热、机响应均有影响,而微极效应只对材料的机械响应有影响。4)考虑材料属性随温度变化,研究了含微孔半无限大体在磁场中表面受到热冲击作用的广义电磁热弹性响应,比较了不同理论下的结果,得到广义理论与经典理论各自的特点以及适用范围。通过对比不考虑属性随温度变化与属性随参考温度变化的结果,发现差别很大,说明在研究介质受到热冲击的问题时,尤其属性对温度比较敏感的材料,考虑属性随温度变化的必要性。5)基于超快热弹性理论研究激光加热金属薄膜的热弹性问题,讨论了超短激光脉冲作用下单层与双层金纳米薄膜的超快热力响应。由于金属中电子的热物性参数对温度极其敏感,因此在研究中考虑了电子的热物性参数随温度变化的特性。还讨论了电子热爆轰力的影响,发现计及电子热爆轰力后位移响应的绝对值会变大,尤其是在激光冲击的初期,会产生超极速变形,这对材料的破坏是致命的;同样,考虑电子热爆轰力后,应力的绝对值也会变大.因此在热冲击初期,考虑电子热爆轰力对响应的准确预测非常必要。6)计及电子的热松弛效应,提出了双曲型两步热传输-分子动力学模型(HTTM-MD),采用所建立的方法研究了金纳米薄膜在不同脉宽的激光作用下的超快热机耦合行为,对材料属性随温度变化对响应的影响以及薄膜在飞秒激光照射下的非热烧蚀现象进行了探讨,发现当激光脉宽短至材料的电子热松弛时间量级时,电子的热松弛效应对材料的热机耦合行为产生很大的影响,此时传统的抛物型两步热传输-分子动力学模型(TTM-MD)预测失效。7)根据弹性固体中每个变形波必有一个温度波伴随特点,采用广义热弹性理论推导出热弹性耦合波波速的表达式,加深对热弹耦合概念的理解。在证明波速表达式正确性的基础上,讨论了热松弛时间、杨氏模量等材料参数对热弹性耦合波波速的影响。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：西安交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O343.6

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