CN110091072B - 一种聚合物材料的瞬态激光烧蚀模拟方法 - Google Patents

一种聚合物材料的瞬态激光烧蚀模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种聚合物材料的瞬态激光烧蚀模拟方法，首先对聚合物材料表面烧蚀模拟，包括激光参数设定，建立材料内非傅里叶热传导模型获得材料内温度T1从而计算获得材料的热物性参数，建立材料表面解聚烧蚀模型获得材料表面烧蚀质量流率，从而得到材料表面烧蚀退移速率和烧蚀表面坐标位置；同时对烧蚀产物溅射模拟，包括建立烧蚀产物流体动力学模型获得烧蚀产物空间分布和温度T2，建立烧蚀产物组分间热化学反应模型获得烧蚀产物各组分的数密度ns，从而获得烧蚀产物对激光能量的吸收系数进而获得材料表面的激光能量Is。本发明能够实现对聚合物材料烧蚀和烧蚀产物溅射的同时模拟，能有效提高聚合物材料激光精密加工的精度和效率，且该方法适用范围广。

Description

一种聚合物材料的瞬态激光烧蚀模拟方法
技术领域
本发明涉及材料加工技术领域，尤其是一种聚合物材料的瞬态激光烧蚀模拟方法。
背景技术
激光加工是目前最先进的加工技术之一，具有加工范围广、精确细致、高速快捷、安全可靠、成本低廉等优点。加工精度可以达到微米级，但对于更小尺度的加工，则需要了解激光束与聚合物材料的作用机制。聚合物材料的瞬态激光烧蚀过程涉及热传导、热蒸发、相变、长链解聚等多种物理机制。材料热物性和激光参数对激光烧蚀过程影响显著。因此，精确地计算工质热物性和激光参数在烧蚀过程中的变化十分必要。
要实现聚合物材料的高精密激光加工，需要高能量短脉宽的激光束作用于聚合物材料表面，当激光脉宽为几皮秒到纳秒量级，脉冲激光烧蚀聚合物材料的非傅里叶导热效应则不可忽略。关于聚合物材料激光加工过程中的非傅里叶或热弛豫行为的影响，可以简要地描述为，在聚合物材料表面加载温度梯度后，热流传播的开始需要有一个有限的建立时间。换言之，热流传播不是瞬时开始，而是在热弛豫时间内逐渐增长。因此，引入热弛豫时间来表征非傅里叶导热定律，被称为广义非傅里叶导热定律。当聚合物材料表面温度梯度较小时，材料表面变化速度远小于热波传播速度，则非傅里叶效应可以忽略；但对于聚合物材料高精密激光加工，材料表面温度梯度变化剧烈，致使材料表面的变化速度与热波传播速度相当，甚至大于热波传播速度，则必须考虑聚合物材料热传导中的非傅里叶效应，才能保证聚合物材料热传导计算的准确性。
此外，聚合物材料的激光烧蚀过程中，伴随着烧蚀产物对激光能量的吸收和屏蔽作用，导致到达材料表面的激光强度发生动态变化，进而影响聚合物烧蚀。烧蚀产物吸收部分激光能量，使烧蚀产物中的密度、温度、压力和组分发生变化，进而影响烧蚀产物的运动分布。对于聚合物材料，烧蚀产物中往往包含多种组分，且烧蚀产物内各组分间的化学反应变化剧烈。
现有的聚合物材料激光烧蚀特性计算方法，仅能够计算长脉宽、低功率的激光烧蚀过程，仿真获得的聚合物材料烧蚀精度有限。
发明内容
本发明提供一种聚合物材料的瞬态激光烧蚀模拟方法，用于克服现有技术中仿真获得聚合物材料烧蚀精度有限等缺陷，实现对聚合物材料表面烧蚀和烧蚀产物溅射的准确模拟，从而提高聚合物材料的激光精密加工精度和加工效率，从而降低加工成本。
为实现上述目的，本发明提出一种聚合物材料的瞬态激光烧蚀模拟方法，包括以下步骤：
(1)依据聚合物材料加工要求设定激光参数；
(2)将通过设定的激光参数获得的相应聚合物材料表面激光能量Is作为热源项S，求解聚合物材料内非傅里叶热传导模型，获得聚合物材料内温度T1；
(3)根据聚合物材料内温度T1，求解热物性参数相关模型，获得聚合物材料的热物性参数；
(4)根据聚合物材料内温度T1和聚合物材料的热物性参数，通过求解聚合物材料表面解聚烧蚀模型，获得聚合物材料表面烧蚀质量流率，从而得到聚合物材料表面烧蚀退移速率和烧蚀表面坐标位置；
(5)判断聚合物材料表面烧蚀退移速率和烧蚀表面坐标位置是否符合加工要求，若符合则进入下一步，若不符合则返回步骤(1)重新调整激光参数；
同时，将步骤(4)获得的聚合物材料表面烧蚀质量流率作为烧蚀产物运动场入口边界条件，通过烧蚀产物流体动力学模型，获得烧蚀产物运动场内温度T2；
(6)根据步骤(5)获得的烧蚀产物运动场内温度T2，通过求解烧蚀产物组分间热化学反应模型，获得烧蚀产物各组分的数密度ns；
(7)根据步骤(6)获得的烧蚀产物各组分的数密度ns，求解烧蚀产物对激光能量的吸收系数β，进而获得聚合物材料表面的激光能量Is；
(8)判断聚合物材料表面激光能量Is是否大于零，若大于零则将该聚合物材料表面激光能量Is作为热源项S返回步骤(2)，若Is不大于零则计算结束。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
1、本发明提供的聚合物材料的瞬态激光烧蚀模拟方法，首先对聚合物材料表面烧蚀模拟，包括激光参数设定，建立聚合物材料内非傅里叶热传导模型获得聚合物材料内温度分布T1从而计算获得聚合物材料的热物性参数，建立聚合物材料表面解聚烧蚀模型获得材料表面烧蚀质量流率，从而得到材料表面烧蚀退移速率和烧蚀表面坐标位置；同时对烧蚀产物溅射模拟，包括建立烧蚀产物流体动力学模型获得烧蚀产物空间分布和温度T2，建立烧蚀产物组分间热化学反应模型获得烧蚀产物各组分的数密度ns，从而获得烧蚀产物对激光能量的吸收系数进而获得聚合物材料表面的激光能量Is，通过激光能量Is来判断本次模拟是否结束。该方法能够实现对聚合物材料烧蚀和烧蚀产物溅射的同时模拟，对聚合物材料的瞬态激光烧蚀的准确模拟，可了解激光束与聚合物材料的作用机制从而提升对聚合物材料的加工精度和加工效率；对烧蚀产物溅射的模拟，可提前在聚合物材料加工前做好烧蚀产物溅射防护，防止加工烧蚀产物溅射对设备和人员的伤害。此外，通过对聚合物材料的加工精度和加工效率的提升，以及降低了对设备和人员的伤害，从而降低了加工成本。
2、本发明提供的聚合物材料的瞬态激光烧蚀模拟方法适应范围广，不局限于长脉宽、低功率的激光烧蚀过程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提供的聚合物材料的瞬态激光烧蚀模拟方法流程图；
图2为聚合物材料表面烧蚀质量流率和表面烧蚀退移速率随时间的变化关系图；
图3为在不同时刻烧蚀产物温度的空间分布图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种聚合物材料的瞬态激光烧蚀模拟方法，参见图1，首先对聚合物材料表面烧蚀模拟，包括激光参数设定，建立聚合物材料内非傅里叶热传导模型获得材料内温度T1从而计算获得聚合物材料的热物性参数，建立聚合物材料表面解聚烧蚀模型获得聚合物材料表面烧蚀质量流率和烧蚀表面坐标位置；然后对烧蚀产物溅射模拟，包括建立烧蚀产物流体动力学模型获得烧蚀产物空间分布和温度T2，建立烧蚀产物组分间热化学反应模型获得烧蚀产物各组分的数密度ns，从而获得烧蚀产物对激光能量的吸收系数进而获得聚合物材料表面的激光能量Is。具体步骤如下：
(1)依据聚合物材料加工要求设定激光参数；
为了提高模拟的准确性，有效减少重复操作的次数从而提高工作效率，首先依据聚合物材料加工要求，并根据以往实验经验设定激光参数，包括：聚合物材料表面激光功率、脉宽。
激光功率可通过公式(12)进行计算，
Figure BDA0002074899030000061
式中，Is(t)为随时间变化的聚合物材料表面激光功率，Ipeak为激光峰值功率，t为时间，tmax为激光峰值功率时刻，s(t)为随时间变化的聚合物材料表面坐标位置，δp为烧蚀产物影响区域位置坐标，β(t)为随时间变化的烧蚀产物对激光能量的吸收系数，x为空间坐标。Ipeak根据上述设定的激光功率获得，tmax根据上述设定的脉宽获得。
(2)将通过设定的激光参数获得的相应聚合物材料表面激光能量Is作为热源项S，求解聚合物材料内非傅里叶热传导模型，获得聚合物材料内温度T1；所述聚合物材料表面激光能量Is为激光照射在聚合物材料表面形成的激光能量：
Figure BDA0002074899030000062
式中，ρ为聚合物材料密度，c为聚合物材料热容，T为聚合物材料温度，τ0为热松弛时间，S为聚合物材料内激光能量沉积的热源项，λ为聚合物材料热导率，x为空间坐标，t为时间。
本发明在模拟过程中，是在每一个时间步计算聚合物材料温度T，ρ、c、λ先根据经验给定一个初值，求解得到此时的聚合物材料温度T，而后再通过后面的公式(2)、(3)、(4)计算获得ρ、c、λ，再在下一个时间步内通过公式(1)计算获得此时的聚合物材料温度T，这是一个迭代过程。通过公式(1)计算求得的聚合物材料温度T即为聚合物材料内温度T1。
求解聚合物材料表面温度(表面温度就是材料最外一层的温度，材料温度包含表面温度)来判断聚合物材料表面温度是否达到相变温度。若未达到，则聚合物材料全部为固相；若达到，则聚合物材料发生相变，材料内部分为固体层和熔融层。判断是否达到相变温度才能进行下一步的计算，若未达到相变温度则不会发生材料烧蚀。
(3)根据聚合物材料内温度T1，求解热物性参数相关模型，获得聚合物材料的热物性参数，包括：密度、热容、热导率；
所述密度的模型为：
Figure BDA0002074899030000071
式中Tc为聚合物材料的固相温度，Ta为聚合物材料的液相温度，Tr为聚合物材料参考温度低值，Th为聚合物材料参考温度高值，Tm为聚合物材料相变温度，ρc为聚合物材料的固相密度，ρa为聚合物材料的液相密度，ρr为聚合物材料在参考温度低值时的密度，ρh为聚合物材料在参考温度高值时的密度，ρmc为固相聚合物材料在相变温度时的密度，ρma为液相聚合物材料在相变温度时的密度。
所述热容的模型为：
Figure BDA0002074899030000072
式中Tc为聚合物材料的固相温度，Ta为聚合物材料的液相温度，Tr为聚合物材料参考温度低值，Th为聚合物材料参考温度高值，Tm为聚合物材料相变温度，cc为聚合物材料的固相热容，ca为聚合物材料的液相热容，cr为聚合物材料在参考温度低值时的热容，ch为聚合物材料在参考温度高值时的热容，cmc为固相聚合物材料在相变温度时的热容，cma为液相聚合物材料在相变温度时的热容。
所述热导率的模型为：
Figure BDA0002074899030000081
式中Tc为聚合物材料的固相温度，Ta为聚合物材料的液相温度，Tr为聚合物材料参考温度低值，Th为聚合物材料参考温度高值，Tm为聚合物材料相变温度，λc为聚合物材料的固相热导率，λa为聚合物材料的液相热导率，λr为聚合物材料在参考温度低值时的热导率，λh为聚合物材料在参考温度高值时的热导率，λmc为固相聚合物材料在相变温度时的热导率，λma为液相聚合物材料在相变温度时的热导率。
(4)根据聚合物材料内温度T1和聚合物材料的热物性参数，通过求解聚合物材料表面解聚烧蚀模型，获得聚合物材料表面烧蚀质量流率，从而得到聚合物材料表面烧蚀退移速率和烧蚀表面坐标位置；
Figure BDA0002074899030000082
式中，
Figure BDA0002074899030000083
为聚合物材料表面烧蚀质量流率，tm为聚合物材料发生相变的时刻，ρ0为聚合物材料参考密度，ρ为聚合物材料密度(参考密度是定值，材料密度是随温度变化的)，s为聚合物材料表面坐标位置，θ为聚合物材料固体层与熔融层交界面的坐标位置，Ap为聚合物材料指前因子，Bp为聚合物材料解聚动能温度，T为聚合物材料温度，x为空间坐标，t为时间。
此时，可获得聚合物材料表面烧蚀退移速率和烧蚀表面坐标位置：
Figure BDA0002074899030000084
和
Figure BDA0002074899030000091
式中，t为时间，tm为聚合物材料发生相变的时刻，s为聚合物材料表面坐标位置，
Figure BDA0002074899030000092
为聚合物材料表面烧蚀质量流率，ρ0为聚合物材料参考密度，δ为聚合物材料表面初始坐标位置，ν为聚合物材料表面烧蚀退移速率。
图2为聚合物材料表面烧蚀质量流率和表面烧蚀退移速率随时间的变化关系图。由图可知，本发明提供的模拟方法能够准确获得不同时刻的聚合物材料表面烧蚀质量流率和表面烧蚀退移速率(由公式5-7计算获得)，由此能够提前获得准确的加工过程中聚合物材料表面的变化情况，进而实现对聚合物材料的高精密加工控制。
(5)判断聚合物材料表面烧蚀退移速率和烧蚀表面坐标位置是否符合加工要求，若符合则进入下一步，若不符合则返回步骤(1)重新调整激光参数；保证对聚合物材料表面烧蚀模拟的准确性。
同时，将步骤(4)获得的聚合物材料表面烧蚀质量流率作为烧蚀产物运动场入口边界条件，通过烧蚀产物流体动力学模型，获得烧蚀产物运动场内温度T2；金属材料表面烧蚀的模拟和烧蚀产物溅射的模拟是同时进行的，每获得一个金属材料表面烧蚀质量流率就会立即进行步骤(6)。
Figure BDA0002074899030000093
式中，ρ表示烧蚀产物的质量密度，u为烧蚀产物运动速率，E为烧蚀产物内能和动能之和，ρu为动量，ρu2/2表示动能密度，p为压强，Splume为激光能量在烧蚀产物中的沉积。
单位体积总能E为内能和动能之和，其可表述为
Figure BDA0002074899030000101
其中，
Figure BDA0002074899030000102
R0为通用气体常数，cs和Ms分别为组分s的质量分数和摩尔质量，ρ为烧蚀产物密度，T为聚合物材料温度，u为烧蚀产物轴向运动速率，ν为烧蚀产物径向运动速率。
通过求解公式(8)和(13)获得的聚合物材料温度T，该聚合物材料温度T即为烧蚀产物运动场内温度T2。
图3为在不同时刻烧蚀产物温度的空间分布图。由图可知，烧蚀产物温度极高，且烧蚀产物影响区域面积随时间逐渐增加。在加工中过程中，可以根据本发明提供的模拟方法计算获得的烧蚀产物运动规律，提前做好设备和人员的防护工作。
(6)根据步骤(5)获得的烧蚀产物运动场内温度T2，通过求解烧蚀产物组分间热化学反应模型，获得烧蚀产物各组分的数密度ns；所述烧蚀产物组分间热化学反应模型包括烧蚀产物组分间化学反应平衡关系式，如：烧蚀产物各组分总压守恒、烧蚀产物原子数守恒和烧蚀产物电荷守恒。
将化学反应平衡关系式写成各组分压强的形式，为
Figure BDA0002074899030000103
其中，Kp(T)为烧蚀产物在平衡温度T时的平衡常数，Pi为烧蚀产物组分压强，i代表烧蚀产物各组分，νi为烧蚀产物化学反应组分计量数(反应物为负，产物为正)。
烧蚀产物各组分总压守恒，可写为：
Figure BDA0002074899030000104
其中，Pi为烧蚀产物组分压强，i代表烧蚀产物各组分，PT为烧蚀产物总压。
烧蚀产物原子数守恒，以聚四氟乙烯(C2F4)n为例，可写为：
Figure BDA0002074899030000111
其中，P为压强，C2F4、CF2、CF、C、C+、C2+、C3+、F、F+、F2+、F3+为聚四氟乙烯(C2F4)n的烧蚀产物组分。
烧蚀产物电荷守恒，可写为：
Figure BDA0002074899030000112
其中，Pe为电子压强，C+、C2+、C3+、F、F+、F2+、F3+为聚四氟乙烯(C2F4)n的烧蚀产物中的离子组分。
(7)根据步骤(6)获得的烧蚀产物各组分的数密度ns，求解烧蚀产物对激光能量的吸收系数β，进而获得聚合物材料表面的激光能量Is；所述聚合物材料烧蚀产物对激光能量的吸收系数包括：聚合物材料解聚产生的短链产物对激光能量的吸收和烧蚀产物中的等离子体产物对激光能量的逆韧致吸收；
β＝βα+βIB (9)
式中，β为烧蚀产物对激光能量的吸收系数，βα为短链产物对激光能量的吸收系数，βIB为烧蚀产物对激光能量的逆韧致吸收系数；
其中，
Figure BDA0002074899030000113
式中，βα为短链产物对激光能量的吸收系数，
Figure BDA0002074899030000114
为短链产物的聚合度，M为聚合物单体的摩尔质量，N为聚合物的粒子数密度，ρ0为烧蚀产物密度，NA为阿伏加德罗常数，α为聚合物材料对激光能量的吸收系数；
Figure BDA0002074899030000121
式中，βIB为烧蚀产物对激光能量的逆韧致吸收系数，
Figure BDA0002074899030000122
为电子与中性原子碰撞过程吸收系数，
Figure BDA0002074899030000123
为电子与离子碰撞过程吸收系数，h为普朗克常数，vl为振动频率，kB为玻尔兹曼常数，T为粒子温度，ne为电子数密度，nN为原子数密度，Qe-N为电子和原子的分配函数，Te为电子温度，e为元电荷，λl为激光波长，c为光速，me为电子质量，
Figure BDA0002074899030000124
为一价离子数密度，
Figure BDA0002074899030000125
为二价离子数密度，
Figure BDA0002074899030000126
为三价离子数密度。
进而，可通过公式(12)求得聚合物材料表面激光功率Is。
(8)判断聚合物材料表面激光能量Is是否大于零，若大于零则将该聚合物材料表面激光能量Is作为热源项S返回步骤(2)，若Is不大于零则计算结束。Is大于零则还能对聚合物材料进行烧蚀，继续对聚合物材料烧蚀进行模拟；Is不大于零则已无法对聚合物材料进行烧蚀，此时结束对聚合物材料烧蚀进行模拟。
本发明能够准确地模拟出聚合物材料瞬态激光烧蚀过程中的材料表面变化情况、烧蚀产物的运动分布情况以及烧蚀产物组分间的相互转化，为聚合物材料的高精密激光加工提供可靠的技术参数。本发明包括聚合物材料的热传导过程计算、烧蚀产物的运动计算和烧蚀产物组分间热化学反应计算，进而将聚合物材料热传导、烧蚀产物运动和烧蚀产物组分间热化学反应耦合计算，获得准确的聚合物材料瞬态激光烧蚀特性。本发明主要用于聚合物材料的高精密激光加工，通过本发明的模拟方法，能够准确获得聚合物材料物性参数、激光参数等对聚合物材料烧蚀加工尺度和烧蚀产物运动的影响规律。针对聚合物材料不同加工需求，通过本发明模拟计算获得相应的激光参数，提升聚合物材料高精密激光加工精度和效率的同时，节约加工成本。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种聚合物材料的瞬态激光烧蚀模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)依据聚合物材料加工要求设定激光参数；
(2)将通过设定的激光参数获得的相应聚合物材料表面激光能量Is作为热源项S，求解聚合物材料内非傅里叶热传导模型，获得聚合物材料内温度T1；
(3)根据聚合物材料内温度T1，求解热物性参数相关模型，获得聚合物材料的热物性参数；
(4)根据聚合物材料内温度T1和聚合物材料的热物性参数，通过求解聚合物材料表面解聚烧蚀模型，获得聚合物材料表面烧蚀质量流率，从而得到聚合物材料表面烧蚀退移速率和烧蚀表面坐标位置；
(5)判断聚合物材料表面烧蚀退移速率和烧蚀表面坐标位置是否符合加工要求，若符合则进入下一步，若不符合则返回步骤(1)重新调整激光参数；
同时，将步骤(4)获得的聚合物材料表面烧蚀质量流率作为烧蚀产物运动场入口边界条件，通过烧蚀产物流体动力学模型，获得烧蚀产物运动场内温度T2；
(6)根据步骤(5)获得的烧蚀产物运动场内温度T2，通过求解烧蚀产物组分间热化学反应模型，获得烧蚀产物各组分的数密度ns；
(7)根据步骤(6)获得的烧蚀产物各组分的数密度ns，求解烧蚀产物对激光能量的吸收系数β，进而获得聚合物材料表面激光能量Is；
(8)判断聚合物材料表面激光能量Is是否大于零，若大于零则将该聚合物材料表面激光能量Is作为热源项S返回步骤(2)，若Is不大于零则计算结束。
2.如权利要求1所述的一种聚合物材料的瞬态激光烧蚀模拟方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述非傅里叶热传导模型为
Figure FDA0002622189240000021
式中，ρ为聚合物材料密度，c为聚合物材料热容，T为聚合物材料温度，τ0为热松弛时间，S为聚合物材料内激光能量沉积的热源项，λ为聚合物材料热导率，x为空间坐标，t为时间。
3.如权利要求1所述的一种聚合物材料的瞬态激光烧蚀模拟方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述热物性参数包括密度、热容、热导率。
4.如权利要求3所述的一种聚合物材料的瞬态激光烧蚀模拟方法，其特征在于，所述密度的模型为：
Figure FDA0002622189240000022
式中，Tc为聚合物材料的固相温度，Ta为聚合物材料的液相温度，Tr为聚合物材料参考温度低值，Th为聚合物材料参考温度高值，Tm为聚合物材料相变温度，ρc为聚合物材料的固相密度，ρa为聚合物材料的液相密度，ρr为聚合物材料在参考温度低值时的密度，ρh为聚合物材料在参考温度高值时的密度，ρmc为固相聚合物材料在相变温度时的密度，ρma为液相聚合物材料在相变温度时的密度；
所述热容的模型为：
Figure FDA0002622189240000031
式中，Tc为聚合物材料的固相温度，Ta为聚合物材料的液相温度，Tr为聚合物材料参考温度低值，Th为聚合物材料参考温度高值，Tm为聚合物材料相变温度，cc为聚合物材料的固相热容，ca为聚合物材料的液相热容，cr为聚合物材料在参考温度低值时的热容，ch为聚合物材料在参考温度高值时的热容，cmc为固相聚合物材料在相变温度时的热容，cma为液相聚合物材料在相变温度时的热容；
所述热导率的模型为：
Figure FDA0002622189240000032
式中，Tc为聚合物材料的固相温度，Ta为聚合物材料的液相温度，Tr为聚合物材料参考温度低值，Th为聚合物材料参考温度高值，Tm为聚合物材料相变温度，λc为聚合物材料的固相热导率，λa为聚合物材料的液相热导率，λr为聚合物材料在参考温度低值时的热导率，λh为聚合物材料在参考温度高值时的热导率，λmc为固相聚合物材料在相变温度时的热导率，λma为液相聚合物材料在相变温度时的热导率。
5.如权利要求1所述的一种聚合物材料的瞬态激光烧蚀模拟方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述聚合物材料表面解聚烧蚀模型为
Figure FDA0002622189240000033
式中，
Figure FDA0002622189240000034
为聚合物材料表面烧蚀质量流率，tm为聚合物材料发生相变的时刻，ρ0为聚合物材料参考密度，ρ为聚合物材料密度，s为聚合物材料表面坐标位置，θ为聚合物材料固体层与熔融层交界面的坐标位置，Ap为聚合物材料指前因子，Bp为聚合物材料解聚动能温度，T为聚合物材料温度，x为空间坐标，t为时间。
6.如权利要求1所述的一种聚合物材料的瞬态激光烧蚀模拟方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述聚合物材料表面烧蚀退移速率和烧蚀表面坐标位置通过公式(6)和(7)获得，
Figure FDA0002622189240000041
和
Figure FDA0002622189240000042
式中，t为时间，tm为聚合物材料发生相变的时刻，s为聚合物材料表面坐标位置，
Figure FDA0002622189240000043
为聚合物材料表面烧蚀质量流率，ρ0为聚合物材料参考密度，δ为聚合物材料表面初始坐标位置，ν为聚合物材料表面烧蚀退移速率。
7.如权利要求1所述的一种聚合物材料的瞬态激光烧蚀模拟方法，其特征在于，所述步骤(6)中，所述烧蚀产物流体动力学模型为
Figure FDA0002622189240000044
式中，ρ表示烧蚀产物的质量密度，u为烧蚀产物运动速率，E为烧蚀产物内能和动能之和，ρu为动量，ρu2/2表示动能密度，p为压强，Splume为激光能量在烧蚀产物中的沉积。
8.如权利要求1所述的一种聚合物材料的瞬态激光烧蚀模拟方法，其特征在于，所述步骤(7)中，所述烧蚀产物组分间热化学反应模型包括烧蚀产物组分间化学反应平衡关系式。
9.如权利要求1所述的一种聚合物材料的瞬态激光烧蚀模拟方法，其特征在于，所述步骤(8)中，所述烧蚀产物对激光能量的吸收系数β求解公式：
β＝βα+βIB (9)
式中，β为烧蚀产物对激光能量的吸收系数，βα为短链产物对激光能量的吸收系数，βIB为烧蚀产物对激光能量的逆韧致吸收系数；
Figure FDA0002622189240000051
式中，βα为短链产物对激光能量的吸收系数，
Figure FDA0002622189240000052
为短链产物的聚合度，M为聚合物单体的摩尔质量，N为聚合物的粒子数密度，ρ0为短链产物的密度，NA为阿伏加德罗常数，α为聚合物材料对激光能量的吸收系数；
Figure FDA0002622189240000053
式中，βIB为烧蚀产物对激光能量的逆韧致吸收系数，
Figure FDA0002622189240000054
为电子与中性原子碰撞过程吸收系数，
Figure FDA0002622189240000055
为电子与离子碰撞过程吸收系数，h为普朗克常数，vl为振动频率，kB为玻尔兹曼常数，T为粒子温度，ne为电子数密度，nN为原子数密度，Qe-N为电子和原子的分配函数，Te为电子温度，e为元电荷，λl为激光波长，c为光速，me为电子质量，
Figure FDA0002622189240000056
为一价离子数密度，
Figure FDA0002622189240000057
为二价离子数密度，
Figure FDA0002622189240000058
为三价离子数密度。
10.如权利要求1所述的一种聚合物材料的瞬态激光烧蚀模拟方法，其特征在于，所述步骤(8)中，所述聚合物材料表面激光能量Is求解公式：
Figure FDA0002622189240000061
式中，Is(t)为随时间变化的聚合物材料表面激光功率，Ipeak为激光峰值功率，t为时间，tmax为激光峰值功率时刻，s(t)为随时间变化的聚合物材料表面坐标位置，δp为烧蚀产物影响区域位置坐标，β(t)为随时间变化的烧蚀产物对激光能量的吸收系数，x为空间坐标。
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