頓磊：激光除銹過程中的微觀模擬

激光除銹作為一種綠色、高效的表面處理技術(shù)，正廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、文物修復(fù)等領(lǐng)域。它利用超短脈沖激光與材料表面污染物的相互作用，通過熱效應(yīng)、沖擊波等機制實現(xiàn)污染物的剝離。但鮮為人知的是，這一看似 “宏觀” 的除銹過程，其核心機制卻隱藏在原子級別的微觀運動中。由于超短激光與材料作用的時間僅為飛秒（10?1?秒）量級，傳統(tǒng)宏觀熱傳導(dǎo)模型難以精準描述，而分子動力學(xué)模擬（Molecular Dynamic Simulation）的出現(xiàn)，為破解這一難題提供了全新視角。

分子動力學(xué)模擬：到底在 “模擬” 什么？

簡單來說，分子動力學(xué)模擬的核心思想的是將連續(xù)的物質(zhì) “拆解開”—— 把材料和污染物都看作由無數(shù)原子、分子組成的粒子系統(tǒng)，通過計算粒子間的相互作用力，模擬它們在激光作用下的運動軌跡，再通過統(tǒng)計規(guī)律反推宏觀現(xiàn)象。這種方法就像用顯微鏡觀察原子的 “集體舞蹈”，讓看不見的激光除銹過程變得可視化。

其背后有兩個關(guān)鍵假設(shè)作為支撐：一是所有粒子都遵循經(jīng)典牛頓運動定律，二是粒子間的相互作用滿足疊加原理。這使得模擬既能精準捕捉微觀運動，又能避免過于復(fù)雜的量子效應(yīng)計算，在精度和效率之間找到了平衡。對于激光除銹而言，它能清晰呈現(xiàn)污染物原子如何在激光能量作用下脫離基材表面，以及基材原子如何響應(yīng)激光沖擊，為優(yōu)化除銹參數(shù)提供核心依據(jù)。

激光除銹模擬的 “關(guān)鍵步驟”：從原子到宏觀的轉(zhuǎn)化

分子動力學(xué)模擬在激光除銹中的應(yīng)用，主要通過七個核心步驟實現(xiàn)，每一步都在搭建微觀與宏觀的橋梁：

1. 粒子模型搭建：先構(gòu)建基材與污染物的原子體系 —— 比如金屬基材的晶格結(jié)構(gòu)、污染物（如氧化層、油污分子）的原子排列，明確每個原子的初始位置和質(zhì)量。

1. 相互作用 “規(guī)則” 設(shè)定：不同原子間的作用力需要通過 “勢能函數(shù)” 定義。比如模擬金屬基材時常用 Morse 勢，模擬合金或復(fù)合材料時則采用多體勢，確保原子間的吸引、排斥作用符合實際物理規(guī)律。

運動程求解：采用高效的數(shù)值算法（如 Velocity-Verlet 算法），計算每個原子在激光能量作用下的位置、速度和加速度變化。這種算法能在保證精度的同時減少計算量，適配長時間的模擬需求。

1. 邊界與能量控制：為了貼近實際場景，會設(shè)定周期性邊界條件（模擬大面積材料）或固定邊界（避免基材過度運動），同時通過 “勢能截斷” 減少無效計算。激光能量的傳遞則通過雙溫模型實現(xiàn)，將激光能量轉(zhuǎn)化為原子的動能和勢能。方系統(tǒng)趨衡調(diào)整：初始搭建的原子體系往往處于非平衡狀態(tài)，需通過 “速度比例法” 調(diào)整粒子速度，讓系統(tǒng)能量達到激光除銹的實際工況，確保模擬結(jié)果的真實性。

1. 能量耦合與傳遞：模擬激光與材料的能量交換過程，重點考慮電子與原子（聲子）的耦合作用，還原激光能量如何從表面?zhèn)鬟f到內(nèi)部，以及污染物如何吸收能量后脫離。

1. 宏觀參數(shù)統(tǒng)計：通過統(tǒng)計原子的動能、相互作用力等微觀數(shù)據(jù)，計算出溫度、壓強、除銹效率等宏觀參數(shù)，為實際工藝優(yōu)化提供量化依據(jù)。

技術(shù)價值：讓激光除銹更精準、更可控

在激光除銹實踐中，分子動力學(xué)模擬的優(yōu)勢日益凸顯。傳統(tǒng)實驗方法難以觀察微觀過程，往往需要反復(fù)試錯調(diào)整激光功率、脈沖寬度等參數(shù)，不僅成本高，還可能損傷基材。而模擬技術(shù)能提前預(yù)判：

? 不同激光參數(shù)下，污染物的剝離機制（是熱蒸發(fā)還是沖擊波剝離）； ? 基材原子的受力情況，避免過度除銹導(dǎo)致的表面損傷； ? 污染物與基材的界面作用，優(yōu)化除銹效率。

例如在航空發(fā)動機葉片除銹中，通過模擬可精準控制激光能量，在去除高溫氧化層的同時，保護葉片基材的力學(xué)性能；在文物修復(fù)中，能模擬弱激光對污染物的溫和剝離，避免文物表面受損。這種 “微觀預(yù)判 - 宏觀優(yōu)化” 的模式，正在推動激光除銹從 “經(jīng)驗型” 向 “精準型” 轉(zhuǎn)變。

未來展望：模擬與實驗的深度融合

盡管分子動力學(xué)模擬已展現(xiàn)出獨特價值，但它仍是一種近似計算模型，忽略了部分量子效應(yīng)。未來，隨著計算能力的提升和多物理場耦合模型的完善，模擬將更貼近實際工況。同時，模擬與實驗的結(jié)合將更加緊密 —— 通過實驗驗證模擬結(jié)果，再用模擬指導(dǎo)實驗優(yōu)化，形成 “模擬 - 實驗 - 迭代” 的閉環(huán)，推動激光除銹技術(shù)向更高精度、更低損傷、更廣應(yīng)用場景發(fā)展。

對于激光行業(yè)而言，分子動力學(xué)模擬不僅是一種研究工具，更是破解技術(shù)瓶頸的 “微觀鑰匙”。它讓我們在原子尺度上讀懂激光與物質(zhì)的相互作用，為激光除銹技術(shù)的創(chuàng)新提供了無限可能。