Коротко и по существу — какие механизмы теплоотвода и какие типы повреждений возможны при длительном (CW или длительное повторение импульсов) облучении малой площадью лазерным пучком поверхности с высокой теплопроводностью.
Теплоотвод (основные каналы и важные факторы)
- Теплопроводность в объёме (доминирует для материалов с высокой $k$): поглощённая энергия рассеивается вглубь и латерально. Характерная длина теплового проникновения за время $t$:
$$l=\sqrt{\alpha t},\alpha =\frac{k}{\rho c}.$$ - Электронная проводимость (для металлов): носители электронов переносят тепло быстрее, создают быстрые электронно-фононные неравновесия при быстром нагреве.
- Охлаждение конвекцией (поверхностный теплообмен с окружающим газом) и излучением (штудируется при высоких температурах): второстепенно при малых размерах пятна, но важно при долгих временах/высоких $T$.
- Интерфейсные термосопротивления (в тонких покрытиях/слоях): тепловой контакт с подложкой может ограничивать отвод.
- При очень высоких температурах — образование паров/плазмы над поверхностью, которые изменяют теплообмен (поглощают/экранируют пучок).
Критические величины (упрощённо)
- Абсорбируемая мощность: $P_{abs}=(1-R)P_{inc}$ (где $R$ — отражение).
- Оценка характерного перегрева масштабно: $\Delta T$ масштабно пропорциональна $P_{abs}/(kL)$, где $L$ — характерный размер теплорассеяния (радиус пятна $w$ или $l$).
Виды повреждений и механизмы их возникновения
- Плавление и формирование жидкой лунки:
- При $T\ge T_m$ образуется расплав; при длительном облучении — устойчивая жидкая лунка, течения Марангони (термокапиллярные), при охлаждении — шрамы, неровности, пористость.
- Испарение/абляция:
- При более высоких температурах начинается интенсивное испарение и отрыв материи (абляция). Для длительного CW возможно постепенное выжигание или образование кратера.
- Плазмообразование и экранирование:
- Вслед за испарением плотный пар/плазма может сформироваться и экранировать/рассеивать луч, изменяя дальнейшее нагревание.
- Тепловые напряжения и растрескивание:
- Быстрые/локальные градиенты температуры создают термонапряжения; в хрупких материалах — трещины и споллация; в металлах — усталостные трещины, отслоение покрытий.
- Пластическая деформация, ползучесть, рекристаллизация:
- При длительном нагреве металл может деформироваться, происходят зернорост, рекристаллизация, потеря механических свойств.
- Адгезионные/слоистые разрушения:
- В покрытых/многослойных системах — отслоение из‑за разницы тепловых расширений и плохого теплового контакта.
- Окисление и химические изменения:
- Под воздействием высокой температуры ускоряется окисление (особенно при атмосферных условиях) — изменение оптических/механических свойств, образование шлаков.
- Усталостное повреждение при флуктуациях мощности/импульсах:
- Многоцикловое нагревание/охлаждение вызывает накопление пластической деформации и трещин.
Особенности для поверхностей с высокой теплопроводностью
- Плюс: более быстрый отвод тепла снижает пик температуры в центре пятна, уменьшает вероятность мгновенного выплавления.
- Минус: тепло рассеивается в объёме, увеличивая зону термического воздействия (большая зона нагрева, возможна рекристаллизация/изменение структуры глубже), требования к отводу тепла на больших объёмах/интерфейсам.
- В металлах важно электронно-фононное взаимодействие: при быстрых изменениях электроны сначала нагреваются, затем передают энергию решётке — меняет динамику разрушений.
Практические индикаторы и пороговые состояния
- Наблюдаемые признаки: изменение отражения/цвета, блеска, появление блёклых пятен (окислы), морщинистость/впадины, трещины, изменение электрического сопротивления.
- Порог повреждения определяется сочетанием: $P_{abs}$, $w$, $k,\rho ,c$, времени $t$, и температурно‑зависимой отражательностью/поглощением.
Короткая рецептура оценки риска
- Оценить $P_{abs}$ и временной режим; вычислить $l=\sqrt{\alpha t}$.
- Сравнить характерный объём рассеяния (площадь пятна × $l$) с объёмом, необходимым для поднятия температуры до $T_m$ или $T_{vap}$.
- Учесть интерфейсное сопротивление и условия конвекции/излучения.
Если нужно — могу дать формулы для оценки $\Delta T$ при заданных $P$, $w$, материальных параметрах и времени.