毫秒激光辐照单晶硅的晶体塑性有限元模拟(3)
1.2 激光与硅材料相互作用的研究现状
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内研究现状
1.3 本文的主要研究工作
本课题的目的就是基于晶体塑性理论研究毫秒激光对单晶硅的损伤机理。采用有限元方法建立三文的热弹塑性数学模型，考虑硅材料参数随温度变化，硅材料弹性模量的各向异性运用COMSOL有限元辅助分析软件模拟长脉冲激光辐照单晶硅激发的瞬态温度场和热应力场分布情况。通过对温度场数值结果的整理，分析了激光辐照过程中单晶硅上表面中心点温度随时间的变化过程，以及上表面沿径向、中心轴方向的温度变化规律。通过对激光能量密度为71.62J/cm2的激光辐照单晶硅应力场数值结果的整理，对不同滑移系的不同滑移方向上的热应力变化情况进行了分析。在此基础上结合温度场的变化分析了毫秒激光致使硅材料塑性破坏的机理。通过完成毫秒激光对单晶硅的损伤实验，与数值计算进行对比，确认数值模型的合理性，正确性，同时进一步解释单晶硅解理裂纹的产生机制。
2 晶体塑性滑移的基本理论
晶体塑性理论认为：晶体的变形是由晶体中的位错沿着特定的结晶学平面的滑移和晶格的畸变包括晶格的刚性转动造成的，追其本质可以发现位错滑移是导致材料宏观变形或塑性应变的根本原因[22]。鉴于此，将晶体塑性理论应用于研究激光对硅材料的损伤，可以试图从微观角度解释硅晶体破坏的根本原因。
晶体塑性理论最早是由Taylor[23]，Orowan[24]，Schmid[25]和Polanyi[26]等人提出，他们认为金属的塑性变形和晶体自身的晶格结构密切相关。Taylor第一个研究了单晶体塑性运动学及其本构关系，在此基础上Schmid提出了著名的Schmid定律：当某一个滑移系上的剪切应力超过其临界值时，晶体将会发生滑移，在宏观上相应的材料发生塑性形变。Hill和Rice[27]对前人的工作进行了总结并用数学表达式定量的表述了晶体塑性变形几何学，同时他们在率无关弹塑性形变中应用了该模型。后面Hill和Havner[28]，Asaro 和Rice[29]，以及Peirce[30]对晶体塑性本构理论的做了更加全面的综述，同时将该理论进一步应用于率相关的粘塑性分析中。
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