硅/SiC纤维复合材料的光热弹性响应研究：调制光吸收下的温度、应力与载流子分布分析

《Crystals》：The Effect of an Internal Optically Absorbed Heat Source on the Photo-Thermoelastic Fields of a Silicon Half-Space Reinforced with 35 vol.% SiC Fibers: An Eigenvalue Approach

　　

摘要

本文研究了由35 vol.% SCS-6 SiC纤维沿深度方向排列增强的硅半空间的光热弹性响应，其中调制光在介质内部被吸收。控制方程中包含了Beer–Lambert吸收的两方面后果：超出带隙的光子能量热化，作为内部热源Q = Q₀e^?γx；以及光生载流子，作为载流子扩散方程中的体积源G = G₀e^?γx。受照表面与刚性透明窗口光滑接触；除表面复合释放的热量外热绝缘，载流子以有限的表面复合速率在该处复合，因此不规定表面值。复合材料的等效热、膨胀和弹性性能通过微观力学获得。耦合方程经过无量纲化，通过正交模式技术化简，并作为一阶向量-矩阵系统求解，其一般解为四个衰减特征模式和封闭形式特解之和，只要吸收系数与特征根不同，特解便存在。该解通过符号验证，与独立的有限差分解进行了对比（吻合优于3 × 10^?4），并与先前工作中规定振幅的情况进行了对比。对于1 W cm^?2、调制频率为10 Hz的光，表面温度振幅为23–35 mK，过剩载流子密度达到5 × 10²¹ m^?3，表面应力达到18 kPa。与980 nm相比，弱吸收的近红外光（1060 nm）将表面温度降低31%，表面应力σ_yy降低41%，并使载流子峰值位置移至表面以下0.1 mm，而强吸收光则表现为表面加热。