傳統(tǒng)工業(yè)清洗有各種各樣的清洗方式，多是利用化學(xué)藥劑和機(jī)械方法進(jìn)行清洗，但是，如 CFCs 等的清洗方式會(huì)造成環(huán)境污染而影響公眾健康。隨著我國(guó)環(huán)境保護(hù)法的施行越來(lái)越嚴(yán)苛，以及民眾環(huán)保和安全意識(shí)日益增強(qiáng)，市場(chǎng)對(duì)綠色環(huán)保、且更經(jīng)濟(jì)實(shí)用的科學(xué)清洗技術(shù)的需求變得更加迫切。
激光清洗的優(yōu)勢(shì)
激光清洗技術(shù)研究起步于 20 世紀(jì) 80 年代中期，但直到 20 世紀(jì) 90 年代初期才開(kāi)始步入工業(yè)生產(chǎn)中。激光清洗就是一種目前備受青睞的“綠色”表面處理技術(shù)，主要通過(guò)中低功率、高能量密度的脈沖激光束作用于工件表面，使表面的污物、氧化層或涂層瞬間蒸發(fā)、氣化或熱膨脹而脫離基體，從而實(shí)現(xiàn)表面凈化的效果。
與傳統(tǒng)的清洗方法相比，激光清洗不需使用任何化學(xué)藥劑和清洗液，清洗下來(lái)的廢料基本上都是固體粉末，體積小，易于存放，可回收，可以輕易解決化學(xué)清洗帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題。
激光清洗原理和實(shí)際清洗過(guò)程
激光清洗的機(jī)理
激光清洗的機(jī)理基本可分為三個(gè)過(guò)程：
◆ 蒸發(fā)過(guò)程——選擇性氣化，剝離；
◆ 撞擊過(guò)程——蒸發(fā)壓力，光子壓力；
◆ 振動(dòng)過(guò)程——瞬時(shí)表面熱處理。
（1）選擇性氣化
在脈寬為 1μs-1ms 脈沖模式下，相對(duì)低的激光功率密度（103~105W/cm 2 ）照射物體，表面污染物被選擇性蒸發(fā)，而基材幾乎完好無(wú)損，從而實(shí)現(xiàn)激光清潔。當(dāng)覆蓋物吸收率足夠大，覆蓋物本身的溫度會(huì)迅速上升以致覆蓋物氣化蒸發(fā)；而基材的吸收率遠(yuǎn)低于與覆蓋物，溫度上升有限，可有效阻止基材剝離、熔化或蒸發(fā)。對(duì)于這種應(yīng)用，一維加熱模式可解釋對(duì)入射激光能量不同的吸收率會(huì)導(dǎo)致兩層表面溫升的不同。
有效清潔的一個(gè)重要限制條件是：通過(guò)高溫蒸發(fā)清除表面覆蓋物，但不能超過(guò)基底層的熔化溫度。在這個(gè)條件下，清洗過(guò)程中覆蓋層將吸收一系列初始脈沖波，以使覆蓋層的溫度上升到蒸發(fā)溫度以上，之后一旦覆蓋層被清除，激光將作用于基底層。但由于脈沖能量致基層材料溫度上升有限，并不會(huì)損傷基底層，此即為激光清潔的自限制效應(yīng)。因此，在此過(guò)程中還存在一個(gè)清除基層材料的損傷閾值（如應(yīng)力引起的表面裂紋損傷）。在能夠造成覆蓋層蒸發(fā)的激光功率密度 I 0 (1)，和基材的損傷閾值時(shí)的激光功率密度 I 0 (2) 之間的范圍，就是對(duì)物體進(jìn)行有效激光清洗的安全區(qū)。
（2）瞬時(shí)表面熱處理
當(dāng)短波長(zhǎng)激光脈沖迅速沉積并被表面吸收，目標(biāo)物表面即會(huì)快速膨脹和收縮，形成沖擊波。受熱層將施加壓力在相鄰材料上，壓力沖擊波將穿過(guò)材料。如果產(chǎn)生的力足夠大以至超過(guò)材料的剪切強(qiáng)度，那么可以通過(guò)物理?yè)p壞來(lái)清除材料。
清洗處的表面快速膨脹和收縮的效應(yīng)，一是這種效應(yīng)的量值足夠大以致能夠產(chǎn)生聲波；二是在去除表面積垢的同時(shí)，對(duì)基材的損壞可以忽略不計(jì)。
一維加熱模式示意圖
（3）碎裂
當(dāng)激光功率密度107~1010W/cm2，激光脈沖持續(xù)時(shí)間約5~20ns時(shí)（如在調(diào)Q模式下），剝離機(jī)制在激光清洗中起主導(dǎo)作用。
在高功率密度下，覆蓋物表面吸收激光能量后達(dá)到蒸發(fā)溫度，蒸氣部分被電離產(chǎn)生等離子體，等離子體會(huì)繼續(xù)強(qiáng)烈吸收激光能量。覆蓋物被等離子體屏蔽而遠(yuǎn)離激光時(shí)，最初的表面蒸發(fā)停止。當(dāng)激光脈沖繼續(xù)作用時(shí)，蒸氣進(jìn)一步受熱，產(chǎn)生高壓（1~100kbar），導(dǎo)致目標(biāo)材料表面產(chǎn)生微觀壓力的沖擊波，再當(dāng)激光脈沖停止作用時(shí)，等離子體從表面擴(kuò)張，材料表面弛豫，薄薄的表層（1~100μm）被碎裂直至剝落。
（4）燒蝕（破壞分子鍵）
高能量光子，如紫外激光中的光子，能夠提供足夠的能量以直接破壞有機(jī)材料中的 C-H 化學(xué)鍵，把長(zhǎng)鏈?zhǔn)礁叻肿蛹羟谐啥替準(zhǔn)椒肿?，然后被短脈沖激光產(chǎn)生的相關(guān)機(jī)械力清除。兩個(gè)或多個(gè) C-H 鍵的剪切需要更大的光子能量，這需要更短波長(zhǎng)的紫外激光，如 157~248nm 的準(zhǔn)分子激光。與熱剝離不同的是，破壞化學(xué)鍵的過(guò)程沒(méi)有或者幾乎沒(méi)有附帶的熱效應(yīng)。因此這種“冷”燒蝕在許多應(yīng)用中具有吸引力，如稀有油畫(huà)和手稿的保存。
覆蓋物因沖擊波的作用碎裂
（5）蒸發(fā)壓力
在激光輻射的表面產(chǎn)生高壓脈沖的另外一種機(jī)制是蒸發(fā)壓力。金屬蒸氣從緊挨周?chē)鷼怏w的金屬表面膨脹，和周?chē)磯嚎s的空氣之間存在一個(gè)壓縮區(qū)，引起在壓縮空氣和周?chē)磯嚎s空氣的界面上產(chǎn)生激波。材料的迅速蒸發(fā)產(chǎn)生很大的反沖壓力。例如在激光功率密度為 1×10 7 W/cm 2 時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大約 2×10 7 Pa 的反沖壓力，在 1×10 8 W/cm 2 時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大約1×10 8 Pa 的反沖壓力。
研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)限定激光功率密度（激光強(qiáng)度）和波長(zhǎng)，蒸發(fā)壓力會(huì)隨著脈沖寬度的減少而增加。在同樣激光功率密度下，對(duì)限定的脈沖寬度，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)壓力會(huì)隨著激光波長(zhǎng)的減少而增加。因此在清洗易碎物品時(shí)，選擇合適范圍的脈沖寬度區(qū)間可在保證清洗效果的前提下將機(jī)械和熱效應(yīng)降到最低。
快速蒸發(fā)機(jī)理示意圖
計(jì)算得到的蒸發(fā)壓力與激光功率密度的變化（波長(zhǎng) 1.06μm，脈寬 10ns）
計(jì)算得到的蒸發(fā)壓力與激光脈寬的變化（波長(zhǎng) 1.06μm，功率密度 1×109W/cm 2 ）
計(jì)算得到的光子壓強(qiáng)與激光峰值功率的變化關(guān)系（ 波 長(zhǎng) 1.06μm， 脈 寬10n，光斑直徑 1mm）
（6）光子壓力
光子的動(dòng)量有一個(gè)很小的壓力施加在被照射的物體表面。高度聚焦的激光能產(chǎn)生非常大的光子流量，故激光能夠在被輻射的物體表面產(chǎn)生一定的光子壓力。這種壓強(qiáng)雖小，但能清除材料表面小顆粒。在微電子元件清除亞微米小顆粒就是使用了這種機(jī)制。
三、激光清洗的應(yīng)用
國(guó)外對(duì)激光清洗技術(shù)的應(yīng)用比較早，理論研究也比較深入。有文字記錄的第一例激光清洗是 20 世紀(jì) 60 年在加利福尼亞大學(xué)采訪 Arthur Schawlow 的系列報(bào)道：Schawlow 發(fā)明了一個(gè)利用小型紅寶石激光器來(lái)糾正打印機(jī)鍵入文件錯(cuò)誤碼和其他打印文件錯(cuò)誤的激光擦除器專利。激光清洗在藝術(shù)品保護(hù)方面的應(yīng)用也比較早。這方面最早的記錄是 1972 年加利福尼亞圣迭戈大學(xué)的 John F Asmus 在威尼斯觀察到紅寶石激光器作用于帶覆蓋層的石像時(shí)，石像表面的黑色覆蓋層被選擇性清除，而激光對(duì)其基體無(wú)明顯損害。
目前激光清洗的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，常見(jiàn)的應(yīng)用有文物保護(hù)（如激光清洗古石制品，油畫(huà)藝術(shù)品），橡膠模具的橡膠層清洗，金屬表面的除銹，海面石油污染去除，軍用裝備清洗，金屬焊接前預(yù)處理，微電子元件和光學(xué)元件上微顆粒清潔等等。未來(lái)在凈化太空垃圾、清洗核輻射污染、高鐵車(chē)體除漆、飛機(jī)除漆、去除隱形飛機(jī)表面涂層等方有也非常有前景。
激光清洗應(yīng)用的限制
近二十年來(lái)，激光清洗技術(shù)在理論模型、工藝研究、設(shè)備開(kāi)發(fā)方面都取得了顯著進(jìn)展。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有不少研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)研制出各種激光清洗設(shè)備，并且有少數(shù)企業(yè)已經(jīng)將其投入到工業(yè)清洗中。但是國(guó)內(nèi)外激光清洗技術(shù)發(fā)展尚不平衡。無(wú)論是理論研究還是設(shè)備研制方面，國(guó)外一直處于領(lǐng)先水平。隨著國(guó)內(nèi)對(duì)環(huán)保的重視，加上國(guó)產(chǎn)光纖激光技術(shù)的成熟和成本的大幅降低，國(guó)內(nèi)的激光清洗技術(shù)和設(shè)備開(kāi)發(fā)出現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的形勢(shì)。
目前激光清洗在國(guó)內(nèi)工業(yè)中的應(yīng)用范圍仍然有較大限制，這主要是因?yàn)椋?/span>
◆ 對(duì)激光清洗機(jī)理的研究有待深入。
◆ 各種影響因素的工藝研究缺乏深入探索。
◆ 激光清洗效率較低，清洗穩(wěn)定性較低，并未真正體現(xiàn)出它應(yīng)有的替代性。
◆ 相較于傳統(tǒng)清洗裝備，激光清洗設(shè)備價(jià)格仍然比較高。
展望未來(lái)
激光清洗技術(shù)具有清洗效果好、控制精度高、應(yīng)用范圍廣、運(yùn)行成本低、柔性高、可控性好、易于選區(qū)定位精密清洗，以及易于遠(yuǎn)距離遙控清洗難以到達(dá)或危險(xiǎn)的地方等優(yōu)勢(shì)。
激光清洗技術(shù)的出現(xiàn)，開(kāi)辟了激光技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用的新領(lǐng)域，它在微電子、汽車(chē)制造，醫(yī)療、建筑、核電站、文物保護(hù)等領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)方興未艾，應(yīng)用市場(chǎng)前景廣闊。目前，我國(guó)在大型件激光加工技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用已初具規(guī)模，在鋼鐵除銹和模具去污方面的應(yīng)用還是剛剛開(kāi)始，而激光清洗技術(shù)在汽車(chē)制造、建筑等領(lǐng)域的市場(chǎng)仍在開(kāi)發(fā)之中。
參考文獻(xiàn)
1. Steen,W.M. Laser materialprocessing[M]. London: Springer-VerlagLondon Ltd., 2003:330-340.
2.王海將，劉偉嵬，余躍，等.金屬表面污染物的激光清洗研究現(xiàn)狀與展望[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2016,(8):75-78.
3.俞鴻斌，王春明，張威，等.光清洗應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].焊接工藝,2014.44(10):80-84.
4.張?chǎng)侮愑袢A.各類型激光器在激光清洗技術(shù)應(yīng)用中發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].熱加工工藝，45(8):37-40.
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