2.5. Лазерное испарение.

Теоретические модели, описывающие поверхностное разрушение металлов под действием лазерных потоков в диапазоне плотностей потоков ~ 10¹⁰ -10¹³ Вт/м² за счет испарения, развиты в работах С.И. Анисимова. В рамках тепловой теории испарения механизмы разрушения материала принципиально не различаются, происходит ли отрыв атомов от атомарно гладкой локально плоской поверхности расплава (испарение), или от заведомо обладающей рельефом сравнимым с размерами атома поверхности твердого тела (возгонка или сублимация). При испарении из расплава можно считать, что работа вылета атома не зависит от его положения на поверхности. При сублимации поверхность тела очень неоднородна, что требуется учитывать.

2.5.1. Кинетика испарения плоской поверхности.

С физической точки зрения испарение (отрыв атома от поверхности) происходит тогда, когда атом обладает энергией , большей энергии связи атомов в твердом теле. При испарении атома его кинетическая энергия частично или полностью переходит в потенциальную энергию разорванных связей ионов, то есть при испарении тело остывает. Для поддержания постоянной температуры требуется постоянный подвод энергии. Испарение – фазовый переход первого рода, для его протекания требуются затраты энергии испарения . Испарившиеся атомы движутся хаотично. Часть из них может вернуться на поверхность тела, возвратив ему энергию . В том случае, когда испарившиеся атомы не могут (при испарении в замкнутый объем) или не успевают (при интенсивном испарении) покинуть приграничный объем, наступает момент, когда число испарившихся атомов становиться равным числу атомов возвратившихся на поверхность испарения, пар становится насыщенным. Давление насыщенного пара зависит от температуры и свойств расплава (твердого тела при сублимации). С увеличением температуры давление насыщенного пара увеличивается, а энергия испарения уменьшается. При увеличении температуры возможно достижение состояния, когда энергия испарения становится равной нулю.

2.5.1.1. Испарение в вакуум и среду с противодавлением

При давлении окружающей среды, в которую вылетают испаряющиеся атомы, мм. рт. ст. можно считать, что испарение с поверхности происходит в вакуум. Если энергия атома, подошедшего к границе больше энергии связи ( ), то атом оторвется от поверхности (испарится). В случае больцмановского распределения атомов по энергиям вероятность отрыва атома от поверхности при температуре будет ( – частота колебаний атома). Отсюда скорость испарения:

- постоянная решетки, , – постоянная Больцмана, – энергия связи атома в металле..

Более точная формула (так как на самом деле атомы колеблются не только перпендикулярно поверхности и т.д.):

, (2.20)

- средняя скорость звука в твердом теле ( , , - поперечная и продольная скорости звука) - молекулярный (атомный) вес, - универсальная газовая постоянная, - основание натурального логарифма.

Соотношение (.20) справедливо для идеального газа в температурном диапазоне ~ 7000 - 10000° К. При более высоких температурах скорость испарения определяется формулой Френкеля:

(2.21)

где – скорость, по порядку величины близкая к скорости звука в металле. Для дебаевской модели решетки

.

С учетом того, что для некоторых атомов с энергией возможен обратный процесс конденсации, истинная скорость испарения равна

,

где – скорость конденсации пара.

При испарении в вакуум зависит от , следовательно, .

При испарении в воздух (среду с противодавлением) картина получается совсем другая. При ( - температура кипения, температура при которой давление насыщенного пара равно атмосферному), когда концентрация пара мала по сравнению с концентрацией молекул воздуха, отток испарившихся атомов от поверхности испарения определяется их диффузией и конвекцией. Поэтому концентрация пара вблизи поверхности близка к концентрации насыщенного пара, то есть , . При концентрация испарившихся атомов становиться больше концентрации молекул воздуха, поэтому ситуация быстро приближается к той, которая была при испарении в вакуум.