0.0.0. Тепловые эффекты в конденсированных средах

При лазерном воздействии на материалы наблюдаются многообразные процессы и явления, которые приводят к изменению оптических и электрических характеристик материала, его структуры и фазового состава.

Отметим основные физико-химические явления, представляющие наибольший практический интерес при решении инженерных задач в технологии лазерной обработки материалов.

Плавление. При облучении кристаллического или поликристаллического твердого тела лазерным излучением достаточной плотности мощности его температура может возрасти до температуры плавления . Температуры плавления различных материалов сильно различаются примерно от 500 К для легкоплавких металлов (свинец, олово) до 3300 К для тугоплавких (вольфрам, платина). Соответственно меняется как количество теплоты, которое необходимо для нагревания металла от комнатной температуры до температуры плавления, так и скрытая теплота фазового перехода твердое тело – расплав . При этом роль скрытой теплоты плавления, т.е. теплоты, необходимой для разрушения кристаллической решетки тела, тем больше, чем ниже температура плавления. Если продукты лазерного разрушения немедленно удаляются с поверхности твердого тела, например, в результате обдува струей воздуха, то процесс называется лазерной абляцией.

Целью теоретическою анализа процесса плавления является определение толщины расплавленного слоя и продолжительности плавления до момента начала интенсивного испарения материала. Знание этих параметров процесса плавления весьма важно, в частности, при использовании лазерного излучения для импульсной и непрерывной сварки.

Испарение. Жидкая фаза, образовавшаяся при плавлении твердого тела, может быть нагрета до температуры испарения . Фазовый переход жидкость – пар происходит при подводе в зону воздействия количества теплоты, равного или большего теплоты испарения . Для ряда материалов, у которых процесс теплового разрушения протекает без образования жидкой фазы, происходит фазовый переход твердое тело – пар, называемый сублимацией. Испарение материалов может протекать в виде кипения, для которого характерно возникновение и рост пузырьков насыщенного пара в расплаве вблизи поверхности нагрева. Испарение является типичным механизмом лазерной абляции.

У некоторых материалов (древесина, минералы) интенсивный лазерный нагрев ведет к испарению связанной (кристаллизационной) воды или других жидких компонентов. Подобные легкоиспаряемые продукты создают высокое давление в зоне нагрева, что приводит к образованию микротрещин, выбросу частиц материала, перестройке его химической структуры.

При анализе лазерного испарения материалов очень важен вопрос об "энергетической организации" процесса. При малых плотностях мощности поглощенного лазерного излучения ( 10⁴ Вт/см²) разрушение практически всех металлов связано с процессами плавления и абляции. Доля газовой фазы в продуктах разрушения невелика. Увеличение мощности лазерного излучения ведет к росту температуры материала ( ), соответственно возрастает и роль испарения в процессе разрушения. Физическая модель, описывающая процесс испарения, довольно сложна. В частности, трудно определить долю рассеянного и поглощенного лазерного излучения в облаке пара вблизи поверхности, учесть взрывные эффекты и взаимодействие различных фаз в зоне обработки.

Кристаллизация. Тепловое действие поглощенного лазерного излучения может приводить к изменению структуры и оптических и электрофизических свойств материала в зоне обработки. Характер этих изменений зависит от свойств облучаемого материала, мощности поглощенного излучения, скорости нагрева и охлаждения.

При лазерном воздействии кристаллизация расплава может приводить либо к образованию материалов с другим типом кристаллической решетки либо к структурированию аморфных тел. При этом происходит выделение удельной теплоты кристаллизации в зоне воздействия (при фазовом переходе жидкость – твердое тело она равна ).

Термохимические реакции. Лазерный нагрев веществ может стимулировать протекание необратимых химических реакций, которые вызывают ускорение процесса разрушения материала. Большой тепловой вклад экзотермических реакций, инициируемых в зоне нагрева, приводит к воспламенению материала, которое может перейти в автономный режим. При этом материал воспламеняется в области, размеры которой многократно превосходят зону облучения.

Кроме того, воздействие лазерного излучения на металлы способствует развитию термохимических реакций, с помощью которых можно окислять поверхность, восстанавливать металлы, разлагая сложные соединения, синтезировать новые материалы. При этом существенно меняются оптические свойства материалов (в первую очередь поглощательная способность) вследствие изменения физико-химических свойств поверхности.

Взаимосвязь физических процессов, сопровождающих процесс воздействия лазерного излучения на материалы, изображена на рис. 0.0.

При лазерном облучении в соответствии с величиной поглощенного потока материал нагревается, плавится и испаряется. По окончании воздействия – остывает. После любой из названных стадий (нагрев, плавление, испарение) возможен процесс кристаллизации – изменение структуры.

Стрелками показано возникновение обратных связей по оптическим свойствам, в частности, по поглощательной способности при нагреве материала, при плавлении. Последнее особенно сказывается при облучении полупроводников.

Также в нагретом материале на поверхности могут активироваться термохимические реакции, происходить деформация поверхности, а при испарении материала возможны химические реакции в парофазном состоянии.

Рис. 0.0. Взаимосвязь физических процессов при воздействии лазерного излучения па материалы

В левой части схемы отмечено возникновение оптического пробоя при прохождении излучения сквозь прозрачную среду. В частности, при облучении на воздухе может произойти оптический пробой (возникновение искры) в воздухе. Над поверхностью материала образуется плазма, состоящая как из частиц оптического пробоя окружающей среды, так и из испаренных частиц материала. Приповерхностная плазма участвует в поглощении излучения и может существенно экранировать мишень.

Очевидно, что совокупность физических процессов в зоне воздействия определяется температурой, скоростью и временем нагрева, скоростью охлаждения материала, которые, в свою очередь, зависят от геометрических и энергетических характеристик лазерного излучения, свойств обрабатываемого материала, массы облучаемого изделия, технологических схем обработки и т.д.

Поэтому в дальнейшем основными целями при анализе лазерного нагревания будут:

- оценка темпа разогрева и характерных масштабов прогрева вглубь и в стороны (теплофизика процесса);

- выявление и анализ физико-химических процессов, происходящих во время воздействия, и описание их воздействия на нагревание.