用于晶体球状亚微米颗粒制造的液体脉冲激光熔化——机理、过程控制和应用（2）许多

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长三角G60激光联盟导读
本综述全面总结了该方法的历史背景、工艺背后的基本机制、影响粒度和形态的参数、可能的应用示例、表征和大规模生产的特殊问题以及未来的发展方向。本文为第二部分。
3.球形SMP的形成机理
3.1. Size-fluence相图
对PLML过程的基本理解是，选择性激光光吸收诱导分散在液体中的粒子的光热过程。如果原始粒子吸收的窄脉宽脉冲激光能量专门转换为热能并用于加热粒子，则由于原始粒子的热容较低，粒子的温度可以迅速升高到熔点以上。因此， PLML的本质是空间选择性脉冲加热。
图10显示了Ag、TiO2和B4C在常用Nd:YAG激光波长（二次谐波：532 nm ，三次谐波：355 nm）下颗粒熔化开始的size-fluence曲线的典型结果。颗粒熔化的激光注量取决于颗粒尺寸和激光波长。由于吸收效率Qabsλ（d）接近恒定值，较大颗粒侧的通量随粒径线性增加。相比之下， TiO2和B4C在较小颗粒侧的曲线急剧增加是由于当颗粒尺寸相当小于激光波长时，陶瓷的Qabsλ（d）急剧减少。因此，在该尺寸通量图中观察到的最小通量清楚地解释了为什么选择性地生成亚微米球形粒子。相比之下，由于金属粒子（在小于100 nm的尺寸范围内仍有较大的Qabsλ（d）值，因此在较小粒子侧，尤其是355 nm激光辐照时， Ag的注量没有明显增加。然而，即使是对于金属颗粒，表面散热也会影响温度升高。

图10 Ag、TiO2和B4C的尺寸注量相图。
图11是通过尺寸注量曲线计算的相变曲线与在不同激光注量下生成的ZnO颗粒尺寸的实际实验结果之间的比较。黑色和蓝色曲线分别计算了粒子开始熔化和完全熔化（考虑熔化潜热）的通量。原始粒子具有尺寸分布，激光辐照熔化的粒子比例随激光注量的增加而增加。通过重复脉冲激光照射，聚集体中的熔化-合并-淬火过程重复数次，以形成较大的球形颗粒。然而，只要激光注量不变且粒子聚集，最大粒径受图11中熔体开始曲线的限制。因此，原始粒子聚集也是考虑生成粒子尺寸控制的一个重要因素。

图11 实验数据与基于氧化锌球形粒子绝热假设计算的相图的比较。实验的激光条件为355nm波长和7ns脉冲宽度。
图10中的size-fluence曲线仅显示熔体开始的曲线，图11中的曲线显示熔体开始和熔体完成。如果有关于熔点以上熔融相热容与沸点温度的温度依赖关系的可靠数据，则可以计算汽化开始的size-fluence曲线，并可以检查激光辐照汽化对生成的颗粒尺寸的影响。图12（a）显示了经355 nm激光辐照的TiO2粒径函数计算的熔融开始（蓝色）、熔融完成（红色）和蒸发开始（绿色）的TiO2相变size-fluence曲线。随着激光注量的增加， SMP的峰值尺寸增大， NP的频率随之增加。比较蒸发开始的尺寸-注量曲线和实验结果，在较高的激光注量下， 200 nm粒子的缺失和100 nm纳米颗粒的产生可能是由于200 nm粒子选择性蒸发，通过冷凝形成100 nm粒子所致。
图12 （a）在355 nm激光波长下，熔融开始、熔融完成和汽化开始的相变的size-fluence曲线，作为TiO2颗粒尺寸的函数。考虑到激光辐照TiO2的实验吸光度变化，修正了通量值。实验得到的TiO2粒径分布分别为(b) 66 ，(c) 110和(d) 200 mJ pulse?1 cm?2 。粒度分布曲线(a) - (c)中频率大于10%的粒度范围为灰色横条。
【用于晶体球状亚微米颗粒制造的液体脉冲激光熔化——机理、过程控制和应用（2）】这种方法可以扩展到PLFL过程，特别是通过粒子的蒸发过程。 Ga、In和Sn汽化的尺寸注量图以及从Ga-In-Sn块体金属中获得的Ga-In-锡合金的粒度如图13所示。在这里，从较大的粒子中获得Ga-In-Sn NP所需的激光注量可以很容易地从开始蒸发曲线中估算，但无法预测生成的NP尺寸。

用于晶体球状亚微米颗粒制造的液体脉冲激光熔化——机理、过程控制和应用（2）

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