Modeling laser interactions with aluminum and tantalum targets using a hybrid atomistic-continuum model

材料科学 分子动力学 激光器 激光烧蚀 纳米晶材料 热导率 电子 热力学 化学 纳米技术 光学 复合材料 计算化学 冶金 物理 量子力学
作者
Ching Chen,Sergey Galitskiy,Avanish Mishra,Avinash M. Dongare
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:133 (10) 被引量:7
标识
DOI:10.1063/5.0138389
摘要

A hybrid atomistic-continuum method can model the microstructure evolution of metals subjected to laser irradiation. This method combines classical molecular dynamics (MD) simulations with the two-temperature model (TTM) to account for the laser energy absorption and heat diffusion behavior. Accurate prediction of the temperature evolution in the combined MD-TTM method requires reliable accuracy in electron heat capacity, electron thermal conductivity, and electron–phonon coupling factor across the temperatures generated. This study uses the electronic density of states (DOS) obtained from first-principle calculations. The calculated electron temperature-dependent parameters are used in MD-TTM simulations to study the laser metal interactions in FCC and BCC metals and the phenomenon of laser shock loading and melting. This study uses FCC Al and BCC Ta as model systems to demonstrate this capability. When subjected to short pulsed laser shocks, the dynamic failure behavior predicted using temperature-dependent parameters is compared with the experimentally reported single-crystal and nanocrystalline Al and Ta systems. The MD-TTM simulations also investigate laser ablation and melting behavior of Ta to compare with the ablation threshold reported experimentally. This manuscript demonstrates that integrating the temperature-dependent parameters into MD-TTM simulations leads to the accurate modeling of the laser–metal interaction and allows the prediction of the kinetics of the solid–liquid interface.

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