Princippet, typerne og anvendelserne aflaserrensningteknologi
Laserrensningsteknologi er en succesfuld anvendelse af laserteknologi inden for ingeniørområdet. Dets grundlæggende princip er at udnytte laserens høje energitæthed til at interagere med forurenende stoffer, der klæber til emnets substrat, hvilket får dem til at adskille sig fra substratet i form af øjeblikkelig termisk udvidelse, smeltning og gasfordampning. Laserrensningsteknologi er kendetegnet ved høj effektivitet, miljøvenlighed og energibesparelse. Den er blevet anvendt med succes inden for områder som rengøring af dækforme, fjernelse af flykarosserilak og restaurering af kulturelle relikvier.
Traditionelle rengøringsteknologier omfattermekanisk friktionsrensning(sandblæsningsrensning, højtryksrensning med vandstråle osv.), kemisk korrosionsrensning, ultralydsrensning, tørisrensning osv. Disse rengøringsteknologier har været meget anvendt i forskellige industrier. For eksempel kan sandblæsningsrensning fjerne metalrustpletter, metaloverfladegrater og trelags lak på printkort ved at vælge slibemidler med forskellig hårdhed. Kemisk korrosionsrensningsteknologi er meget anvendt til rengøring af oliepletter på udstyrsoverflader, skalaer i kedler og olierørledninger. Selvom disse rengøringsteknologier er veludviklede, har de stadig nogle problemer. For eksempel kan sandblæsningsrensning let forårsage skade på den behandlede overflade, og kemisk korrosionsrensning kan forårsage miljøforurening og korrosion af den rengjorte overflade, hvis den ikke håndteres korrekt. Fremkomsten af laserrensningsteknologi repræsenterer en revolution inden for rengøringsteknologi. Den udnytter den høje energitæthed, høje præcision og effektive transmission af laserenergi og har åbenlyse fordele i forhold til traditionelle rengøringsteknologier med hensyn til rengøringseffektivitet, rengøringspræcision og rengøringssted. Den kan effektivt undgå miljøforurening forårsaget af kemisk korrosionsrensning og andre rengøringsteknologier og vil ikke forårsage skade på substratet.
DePrincippet for laserrensning
Så hvad er laserrensning? Laserrensning er en proces, hvor en laserstråle bruges til at fjerne materiale fra overfladen af et fast stof (eller nogle gange en væske). Ved lav laserflux opvarmes materialet af den absorberede laserenergi og fordamper eller sublimerer. Ved høj laserflux omdannes materialet normalt til plasma. Laserrensning refererer normalt til fjernelse af materiale ved hjælp af pulserende lasere, men hvis laserintensiteten er høj nok, kan en kontinuerlig bølgelaserstråle bruges til at ablatere materialet. Excimerlaseren med dyb ultraviolet lys bruges hovedsageligt til optisk ablation. Laserbølgelængden, der bruges til optisk ablation, er cirka 200 nm. Absorptionsdybden af laserenergien og mængden af materiale, der fjernes af en enkelt laserpuls, afhænger af materialets optiske egenskaber, såvel som laserbølgelængden og pulslængden. Den samlede masse, der ablateres fra målet af hver laserpuls, kaldes normalt ablationshastigheden. Laserstrålens scanningshastighed og dækningen af scanningslinjen osv. vil påvirke ablationsprocessen betydeligt.
Typer af laserrensningsteknologi
1) Laserrensning: Tør laserrensning refererer til direkte bestråling af det rensede emne med en pulserende laser, hvilket får base- eller overfladeforureningerne til at absorbere energi og stige i temperatur, hvilket resulterer i termisk udvidelse eller termisk vibration af basen, hvorved de to adskilles. Denne metode kan groft opdeles i to situationer: den ene er, at overfladeforureningerne absorberer laserenergi og udvider sig; den anden er, at basen absorberer laserenergi og genererer termisk vibration. I 1969 opdagede SM Bedair et al., at forskellige overfladebehandlingsmetoder såsom varmebehandling, kemisk korrosion og sandblæsning alle har forskellige ulemper. Samtidig kan den høje energitæthed efter laserfokusering muliggøre fænomenet fordampning af materialeoverfladen, hvilket muliggør ikke-destruktiv rengøring af materialeoverfladen. Gennem eksperimenter blev det konstateret, at brugen af en rubin Q-switched laser med en effekttæthed på 30 MW/cm2 kan opnå rengøring af siliciummaterialeoverfladeforurening uden at beskadige basen, og for første gang blev laserrensning af materialeoverfladeforureningerne realiseret. Den samlede hastighed kan udtrykkes ved hastigheden for afløsning af filmlagsfragmenter som følger:
I formlen repræsenterer ε laserpulsens energiindeks, h repræsenterer tykkelsesindekset for forureningsfilmlaget, og E repræsenterer filmlagets elasticitetsmodulindeks.
2) Laservådrensning: Før emnet, der skal rengøres, udsættes for den pulserende laser, påføres en overfladeforbelægningsvæskefilm. Under laserens påvirkning stiger temperaturen på den flydende film hurtigt og fordamper. I fordampningsøjeblikket genereres en anslagsbølge, som virker på de forurenende partikler og får dem til at løsne sig fra substratet. Denne metode kræver, at substratet og den flydende film ikke reagerer med hinanden, hvilket begrænser udvalget af anvendelige materialer. I 1991 behandlede K. Imen et al. problemet med resterende submikronpartikelforurenende stoffer på overfladerne af halvlederwafere og metalmaterialer efter traditionelle rengøringsmetoder, og undersøgte anvendelsen af at belægge en film på overfladen af materialesubstratet, der effektivt kan absorbere laserenergi. Efterfølgende absorberede filmen ved hjælp af en CO2-laser laserenergien, og temperaturen steg hurtigt og kogte, hvilket genererede eksplosiv fordampning, som fjernede forurenende stoffer fra substratoverfladen. Denne rengøringsmetode kaldes laservådrensning.
3) Laserplasma-chokbølgerensning: Laserplasma-chokbølger genereres, når laseren bestråler luftmediet og forårsager dannelse af en sfærisk plasma-chokbølge. Chokbølgen virker på overfladen af det emne, der skal rengøres, og frigiver energi for at fjerne forurenende stoffer. Laseren virker ikke på substratet og forårsager derfor ikke skade på substratet. Laserplasma-chokbølgerensningsteknologien kan nu rense partikler med diametre på flere titusinder af nanometer, og der er ingen begrænsninger på laserbølgelængden. Det fysiske princip for plasmarensning kan opsummeres som følger: a) Laserstrålen, der udsendes af laseren, absorberes af forureningslaget på den behandlede overflade. b) Den store mængde absorption danner et hurtigt ekspanderende plasma (stærkt ioniseret ustabil gas) og genererer en anslagsbølge. c) Anslagsbølgen får forurenende stoffer til at fragmentere og fjernes. d) Pulsbredden af lyspulsen skal være kort nok til at undgå termisk akkumulering, der kan beskadige den behandlede overflade. e) Eksperimenter har vist, at når der er oxider på metaloverfladen, genereres plasma på metaloverfladen. Plasma genereres kun, når energitætheden overstiger tærsklen, som afhænger af det fjernede kontamineringslag eller oxidlag. Denne tærskeleffekt er meget vigtig for effektiv rengøring, samtidig med at substratmaterialets sikkerhed sikres. Plasmas udseende har også en anden tærskel. Hvis energitætheden overstiger denne tærskel, vil substratmaterialet blive beskadiget. For at udføre effektiv rengøring, samtidig med at substratmaterialets sikkerhed sikres, skal laserparametrene justeres i henhold til situationen for at sikre, at lyspulsens energitæthed ligger strengt mellem de to tærskler. I 2001 udnyttede JM Lee et al. den egenskab, at højtydende lasere producerer plasmachokbølger, når de fokuseres, og brugte en pulslaser med en energitæthed på 2,0 J/cm2 (meget højere end skadestærsklen for siliciumwafere) til at bestråle parallelt med siliciumwaferen og med succes rense 1 μm wolframpartikler adsorberet på overfladen af siliciumwaferen. Denne rengøringsmetode kaldes laserplasmachokbølgerensning, og strengt taget er laserplasmachokbølgerensning en type tørlaserrensning. Det oprindelige formål med disse tre laserrensningsteknologier var at rense de små partikler på overfladen af halvlederwafere. Man kan sige, at laserrensningsteknologien opstod med udviklingen af halvlederteknologi. Laserrensningsteknologien er dog løbende blevet anvendt på andre områder, såsom rengøring af dækforme, fjernelse af flybeklædning og restaurering af artefaktoverflader. Under laserstråling kan inert gas blæses på substratoverfladen. Når forurenende stoffer skrælles af overfladen, vil de straks blive blæst af overfladen af gassen for at undgå genforurening og oxidation af overfladen.
Deanvendelse af laserrensningsteknologi
1) Inden for halvlederområdet involverer rengøring af halvlederwafere og optiske substrater den samme proces, nemlig at forarbejde råmaterialerne til de ønskede former gennem skæring, slibning osv. Under denne proces introduceres partikelformige forurenende stoffer, som er vanskelige at fjerne og forårsager alvorlige gentagne kontamineringsproblemer. Forurenende stoffer på overfladen af halvlederwafere kan påvirke kvaliteten af printplader og derved forkorte levetiden for halvlederchips. Forurenende stoffer på overfladen af optiske substrater kan påvirke kvaliteten af optiske enheder og belægninger og kan føre til ujævn energifordeling, hvilket forkorter levetiden. Da laserrensning er tilbøjelig til at forårsage skade på substratoverfladen, anvendes denne rengøringsmetode mindre til rengøring af halvlederwafere og optiske substrater. Laservådrensning og laserplasma-chokbølgerensning har mere succesfulde anvendelser inden for dette felt. Xu Chuanyi et al. studerede aflejring af mikroskala speciel magnetisk maling på overfladen af ultraglatte optiske substrater som en dielektrisk film og brugte derefter en pulserende laser til rengøring. Rengøringseffekten var god, selvom antallet af urenhedspartikler pr. arealenhed steg, og størrelsen og dækningsområdet for urenhedspartiklerne blev betydeligt reduceret. Denne metode kan effektivt rense mikroskopiske urenhedspartikler på overfladen af ultraglatte optiske substrater. Zhang Ping undersøgte indflydelsen af arbejdsafstand og laserenergi på rengøringseffekten af forurenende stoffer med forskellige partikelstørrelser i laserplasma-rengøringsteknologi. De eksperimentelle resultater viste, at for polystyrenpartikler på ledende glassubstrater var den optimale arbejdsafstand for en energi på 240 mJ 1,90 mm. Efterhånden som laserenergien steg, forbedredes rengøringseffekten betydeligt, og forurenende stoffer med store partikler var lettere at rengøre.
2) Inden for metalmaterialer adskiller rengøring af metalmaterialeoverflader sig fra rengøring af halvlederwafere og optiske substrater. De forurenende stoffer, der skal rengøres, tilhører den makroskopiske kategori. Forurenende stoffer på overfladen af metalmaterialer omfatter hovedsageligt oxidlag (rustlag), malingslag, belægning og andre vedhæftede stoffer og kan klassificeres som organiske forurenende stoffer (såsom malingslag, belægning) og uorganiske forurenende stoffer (såsom rustlag). Rengøring af metalmaterialeoverfladeforurenende stoffer sker primært for at opfylde kravene til efterfølgende behandling eller brug, såsom at fjerne ca. 10 μm oxidlag fra overfladen af titanlegeringsdele før svejsning, fjerne den originale malingbelægning på overfladen under større reparationer af fly for at lette genpåføring og regelmæssig rengøring af gummipartikler, der er fastgjort til gummidækformen, for at sikre overfladens renlighed og formens kvalitet og levetid. Skadegrænsen for metalmaterialer er højere end laserrensningsgrænsen for deres overfladeforurenende stoffer. Ved at vælge en passende effektlaser kan der opnås en bedre rengøringseffekt. Denne teknologi er blevet anvendt modent på nogle områder. Wang Lihua et al. undersøgte anvendelsen af laserrensningsteknologi i behandlingen af oxidlag på overfladerne af aluminiumlegeringer og titanlegeringer. Forskningsresultaterne viste, at brugen af en laser med en energitæthed på 5,1 J/cm2 kunne rense oxidlaget på overfladen af A5083-111H aluminiumlegering, samtidig med at substratets gode kvalitet opretholdes, og brugen af en pulserende laser med en gennemsnitlig effekt på 100 W til scanning effektivt kunne rense oxidlaget på overfladen af titanlegeringer og forbedre materialeoverfladens hårdhed. Indenlandske virksomheder som Ruike Laser, Daqu Laser og Shenzhen Chuangxin har udviklet laserrensningsudstyr, der er blevet meget anvendt til rengøring af gummiforme såsom dæk, metalrustlag og oliepletter på overfladen af komponenter.
3) Inden for kulturelle relikvier er rengøring af metal- og stenrelikvier samt papiroverflader nødvendig for at fjerne forurenende stoffer såsom snavs og blækpletter, der opstår på deres overflader på grund af deres lange historie. Disse forurenende stoffer skal fjernes for at restaurere relikvierne. For papirarbejder som kalligrafi og malerier vokser der mug på overfladerne, når de opbevares forkert. Disse pletter påvirker papirets oprindelige udseende alvorligt, især for papir med høj kulturel eller historisk værdi, hvilket vil påvirke dets værdsættelse og beskyttelse. Zhao Ying et al. undersøgte muligheden for at bruge ultraviolet laser til at rense mugpletter på papirruller. De eksperimentelle resultater viste, at brug af en laser med en energitæthed på 3,2 J/mm2 til én scanning kunne fjerne tynde pletter, og to scanninger kunne fjerne pletterne helt. Men hvis den anvendte laserenergi er for høj, vil den beskadige papirrullen, mens pletterne fjernes. Zhang Xiaotong et al. restaurerede med succes et forgyldt bronzerelikvie ved hjælp af laser vertikal bestråling med væskefilm. Zhang Licheng et al. brugte laserrensningsteknologi i restaureringen af en malet kvindelig keramikfigur fra Han-dynastiet. Yuan Xiaodong et al. undersøgte effekten af laserrensningsteknologi i forbindelse med rengøring af stenrelikvier og sammenlignede skaderne på sandstenslegemet før og efter rengøring, samt de rensende virkninger af blækpletter, røgforurening og malingforurening.
Konklusion: Laserrensningsteknologi er en relativt avanceret teknik med brede forsknings- og anvendelsesmuligheder inden for højpræcisionsområder som luftfart, militært udstyr samt elektronik og elektroteknik. I øjeblikket er laserrensningsteknologi blevet anvendt med succes på nogle områder takket være dens effektive, miljøvenlige og fremragende rengøringsydelse. Dens anvendelsesområder udvides gradvist. Udviklingen af laserrensningsteknologi er ikke kun blevet anvendt modent inden for områder som fjernelse af maling og rust, men der har også været rapporter om brug af laser til at rense oxidlaget på metaltråde i de senere år. Udvidelsen af eksisterende anvendelsesområder og udviklingen af nye områder er grundlaget for udviklingen af laserrensningsteknologi. Forskning og udvikling af nyt laserrensningsudstyr og udvikling af nyt laserrensningsudstyr vil vise differentiering, hvilket resulterer i forskellige funktioner. I fremtiden er det også muligt at opnå fuldautomatisk laserrensning gennem samarbejde med industrirobotter. Udviklingstendensen for laserrensningsteknologi er som følger:
(1) Styrkelse af forskningen i laserrensningsteori for at vejlede anvendelsen af laserrensningsteknologi. Efter gennemgang af et stort antal dokumenter er det konstateret, at der ikke findes et modent teoretisk system, der understøtter laserrensningsteknologi, og de fleste undersøgelser er baseret på eksperimenter. Etablering af et teoretisk system til laserrensning er grundlaget for den videre udvikling og modenhed af laserrensningsteknologi.
(2) Udvidelse af eksisterende anvendelsesområder og nye anvendelsesområder. Laserrensningsteknologi er blevet anvendt med succes inden for områder som fjernelse af maling og rust, og der har været rapporter om brug af laser til at rense oxidlaget på metaltråde i de senere år. Udvidelsen af eksisterende anvendelsesområder og udviklingen af nye områder er frugtbar jord for udviklingen af laserrensningsteknologi.
(3) Forskning og udvikling af nyt laserrensningsudstyr. Udviklingen af nyt laserrensningsudstyr vil vise differentiering. Én type er udstyr med en vis universalitet, der dækker flere anvendelsesområder, såsom at én enhed kan udføre funktioner til fjernelse af maling og rust samtidigt. Den anden type er specialiseret udstyr til specifikke behov, såsom design af specifikke armaturer eller optiske fibre til at opnå funktionen til rengøring af forurenende stoffer i små rum. Gennem samarbejde med industrirobotter er fuldautomatisk laserrensning også en populær anvendelsesretning.
Opslagstidspunkt: 17. juli 2025
