CN106493121B - 一种基于活性液体和激光的纳米清洗方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于活性液体和激光的纳米清洗方法，将活性液体膜沉积在所需要清理的物质的表面，通过激光加热液体和颗粒的界面并产生局部升温和热反应液体，在液体中产生沸腾或爆炸性化学反应，创造更高的压力来清洁颗粒，实现将颗粒清离物质表面的目的。本发明通过应用如过氧化氢(H₂O₂)的活性液体，以更高的压力产生增强的激光冲击，来达到快速清洗物体表面污物颗粒的目的。该方法清洁污物颗粒速度快、效率高。该方法还可扩展脉冲激光工艺的应用。

Description

一种基于活性液体和激光的纳米清洗方法

技术领域

本发明属于激光清洗领域，具体涉及一种基于高能量激光束和活性液体的纳米清洗方法。

背景技术

去除小颗粒较去除大颗粒而言似乎更容易，但随着尺寸的减小，重力失去了它的影响，此时非常强的分子力开始占主导地位。尺寸小于千分之一毫米的颗粒可以用超过其重量的一百万倍的力粘附到表面上。

目前的微清洁系统通常使用液体化学品，其本身是污染源，并且它们可能损害待清洁材料的表面。随着全世界正逐渐淘汰氟利昂及其化学亲属，社会和工业正在努力寻找更好的替代品。人们都知道目前流行的已知的清洁剂将消耗臭氧层并有助于温室效应的产生。

目前有一种新的清洁技术使用高能量密度激光束和水作为主要成分。简言之，就是将薄水膜(其厚度以纳米到微米计)沉积在需要清洁的表面上。水膜通过来自激光束的能量而爆炸，并且污物颗粒从表面上升起。然后可以通过抽吸除去具有污染物的水。该方法已被证明是非常有效的，在几次重复处理后去除了几乎100％的不需要的颗粒。但该方法需要重复多次才能将灰尘颗粒完全去除，速度教慢，不适于大规模推广使用。

发明内容

为了解决上述技术问题所存在的缺陷，本发明提供了一种基于高能量激光束和活性液体过氧化氢的纳米清洗方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于活性液体和激光的纳米清洗方法，其特征在于：将活性液体膜沉积在所需要清理的物质的表面，通过激光加热液体和颗粒的界面并产生局部升温和热反应液体，在液体中产生沸腾或爆炸性化学反应，创造更高的压力来清洁颗粒，实现将颗粒清离物质表面的目的。

作为优选，所述活性液体为水或过氧化氢。

本发明通过应用如过氧化氢(H₂O₂)的活性液体，以更高的压力产生增强的激光冲击，来达到快速清洗物体表面污物颗粒的目的。该方法清洁污物颗粒速度快、效率高。该方法还可扩展脉冲激光工艺的应用。

附图说明

图1为本发明实施例的示意图；其中：1为激光束；2为过氧化氢(H₂O₂)；3位物质表面；

图2为本发明实施例中在过氧化氢(H₂O₂)和水中激光冲击强化(LSP)后的AA6061的表面硬度(VHN)和塑性变形深度的比较图；其中：(a)为表面硬度的比较图；(b)为塑性变形深度的比较图；

图3为本发明实施例中快速化学蚀刻-辅助脉冲激光烧蚀示意图；其中：(a)电离示意图；(b)等离子蚀刻示意图；

图4为本发明实施例中快速化学蚀刻-辅助脉冲激光烧蚀的机理图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种基于高能量激光束和活性液体的纳米清洗方，使用高能量密度激光束1和活性液体(例如过氧化氢H₂O₂)2作为主要组成部分，将薄的活性液体膜沉积在所需要清理的物质表面3，当活性液体膜被来自激光束1的能量，激光可以加热液体和颗粒的界面并产生局部升温和热反应液体，在液体中产生沸腾(例如水H₂O)或爆炸性化学反应(例如过氧化氢H₂O₂)，产生高得多的压力来清洁颗粒，灰尘颗粒将离开物质表面3。带有污染物的活性液体1通过吸取的方法被移除。

应用活性液体限制如过氧化氢(H₂O₂)2来增强激光冲击。其源自激光冲击主要依赖于激光诱导等离子体的高密度，其由通过激光材料相互作用的靶材料的烧蚀率确定的。因此，通过使用活性液体限制可以有效地增强激光冲击，由于更多由快速化学蚀刻反应引起的有效烧蚀在激光烧蚀过程中同时发生。实验结果表明：通过使用过氧化氢(H₂O₂)(而不是水H₂O)作为限制通过激光冲击强化(LSP)后铝合金6061(AA6061)(作为一个例子)的硬度和塑性变形深度有效增加。应用过氧化氢(H₂O₂)2，激光冲击强化(LSP)效率提高150％。过氧化氢(H₂O₂)增强的激光冲击主要是在激光烧蚀和化学蚀刻相互促进所造成的较高的消融率。此外，通过锌的脉冲激光烧蚀(PLA)的实验结果验证表明过氧化氢(H₂O₂)2可以显著增加消融率几乎300％。对于激光冲击强化(LSP)的AA6061实验，铝箔被用作吸收激光能量的烧蚀涂层产生激光诱导等离子体，而对于脉冲激光烧蚀(PLA)的锌，顶部表面的锌被激光脉冲直接烧蚀。

为验证通过活性限制来增强激光冲击，AA6061的激光冲击执行与过氧化氢(H₂O₂)作为约束和铝箔作为消融器和与水下激光冲击相比。使用在1064纳米波长下操作的Surelite III系列Q调Nd-YAG激光器(掺钕钇铝石榴石固体激光器的一种)(ContinuumInc.)，其脉冲宽度(半极大处全宽度)为5ns，用于递送激光脉冲。锤击后样品的显微硬度通过一个Leco显微硬度试验机在25g负荷和10s保持时间下测量。处理后的表面轮廓的特征通过来自VeecoInc的Wyko NT3300HD表面轮廓仪来表征。

测量由过氧化氢(H₂O₂)和水限制的激光冲击后的表面硬度和表面塑性变形深度，并比较评估由增强的激光冲击引起的压力效应，因为直接测量激光冲击压力相对困难。在激光冲击强化(LSP)工艺中，表面塑性应变εp，取决于激光冲击的峰值压力，可以用公式(1)，其中P是峰值压力，HEL是雨贡纽弹性极限，σ_Y ^dyn是动态屈服强度，λ和μ是根据杨氏模量E和泊松比υ的拉梅常量。由增强的激光冲击压力引起的较高的表面应变带来更强的应变硬化效应，并且导致更大的表面硬度值。另一方面，由激光冲击压力引起的塑性应变是表面深度的递减函数。塑性变形发生在峰值应力不再超过雨贡纽弹性极限(HEL)和εp＝0的深度。因此，增强的激光冲击压力可以表征为激光冲击强化(LSP)后的表面硬度和塑性变形深度。

图2为液下激光冲击强化(LSP)的实验结果，每个数据点是五次测量的平均值。观察到在过氧化氢(H₂O₂)下的激光冲击强化(LSP)导致比水下激光冲击强化(LSP)更大的表面硬度(图2(a))。例如，使用相同的激光强度8GW/cm²，通过施加过氧化氢(H₂O₂)，硬度从113VHN(维氏硬度值)增加到123VHN。考虑到AA6061在激光冲击强化(LSP)前的硬度约为94VHN，过氧化氢(H₂O₂)将水下激光冲击强化(LSP)的效率提高了153％。此外，还发现即使水下LSP的激光强度从4GW/cm²增加到12GW/cm²，硬度仅增加9％从108VHN到118VHN。这是因为当激光强度超过10GW/cm²时，产生击穿等离子体并导致峰值压力的饱和。另一方面，用过氧化氢(H₂O₂)代替水(H₂O)可以破坏这个主要限制并且提高硬度高达约132VHN，这接近由应变硬化引起的AA6061的饱和硬度值。同时，过氧化氢(H₂O₂)也带来相对较大的表面变形深度(图2(b))。例如，使用相同的激光强度10GW/cm²，过氧化氢(H₂O₂)将变形深度从0.73lμm增加到1.12lμm增福达153.4％。此外，对于水下激光冲击强化(LSP)观察到相同的激光冲击饱和现象，并且认为过氧化氢(H₂O₂)通过形成更深的表面凹痕有效地破坏这种限制。因此，激光冲击强化(LSP)后的表面硬度和变形深度表明，通过施加过氧化氢(H₂O₂)作为限制介质产生具有更大压力的增强的激光冲击，从而提高清洗效率。

通常激光冲击的强度由激光诱导等离子体的膨胀引入和控制，而包括密度，压力和温度的等离子体参数由消融率控制。因此，由活性约束促进的更大消融率在这个过程中发挥关键作用，以增强具有更高压力的激光冲击。

为了理解这一过程，提出了快速化学刻蚀-辅助脉冲激光烧蚀(PLA)，如图3所示，这种机制的流程图如图4所示。公式(a)-(e)为过程中发生的电离和化学刻蚀反应，其中hv表示光子能量，ΔE_T是蚀刻反应释放的热能。当金属表面焦点处的目标被前部的入射激光脉冲蒸发并离子化，在目标约束界面产生一个激光诱导的等离子体羽流(图4(a))。这种电离是主要由反-轫致辐射机制控制(等式(a)图4)，与自由电子e^-的快速生长有关。一旦产生，由于液体限制的约束效应，等离子体立即被迫进入热力学状态。同时，等离子体压力的显著增加及通过吸收后部分激光能量来诱导温度，随后在表面形成具有超音速的冲击波。许多报告已经证明在液体限制下的激光诱导等离子体的压力是在吉帕斯卡(gigapascal)的水平，温度可以达到几千开尔文。这种极端的环境为过氧化氢(H₂O₂)的分解反应提供了极大的好处，其释放原子氧O作为一个强氧化剂化学蚀刻工艺(图4中的等式(b))。注意到这里极高的温度可以显著加速化学分解速率。正如Hong等报道的那样，在高温环境中过氧化氢(H₂O₂)的分解速率(高于10³K)可以达到数量级10⁷cm³·mol^-1·s^-1。另外，考虑强大的液体限制的影响，有理由说明分解反应主要发生在表面区域的等离子体羽流和大部分释放的原子氧被限制并存在于界面处，如图3(b)所示。此外，一些释放的原子氧可以通过吸收较晚的激光能量进一步电离以形成电离的氧O⁺具有甚至更强的氧化性，由于逆轫致辐射过程(图4中的等式(c))。因此，快速化学品分解速率和小的限制体积可能导致形成原子和电离氧的具有强的氧化性和高浓度的等离子体薄层，导致一个快速化学蚀刻工艺去除更多的靶材料(图4中的(d)和(e))。

相互促进更大的消融率和增强的等离子体导致消融率的进一步增加，从而改变激光冲击压力。较高的等离子体压力可导致更高的消融率。根据讨论以上，具有较高内能和压力的增强等离子体是被期望得到的，由于以下原因。首先，化学蚀刻工艺可以增加等离子体密度和厚度通过去除更多的目标材料，导致等离子压力增加。等离子体的总压力P为电子分压Pe和粒子部分压力Pp的和，如等式(2)所示。其中k_B是玻尔兹曼常数，n_e和n_p分别是电子和颗粒的量。因此，分别增加电子和颗粒密度n_e和n_p，通过化学蚀刻反应可以加强等离子体压力。此外，基于众所周知的Fabbro的模型，等离子体的时间演变压力P(t)和厚度L(t)如等式(3)所示，其中Z1和Z2是目标和限制介质的冲击阻抗。它从理论上证明等离子体压力与等离子体厚度是成比例的。能获得预期更大的等离子体厚度因为更大的消融速率可能导致更深的消融深度。第二，等离子体参数可能进一步受到从化学蚀刻过程释放的热能的影响(图4中方程(d)和(e))。这种热能将被施加增加等离子体内部热能并打开液体/靶接口。处理期间的能量平衡可以通过等式(4)描述，其中I，E_T和α是激光强度，由等离子体吸收的热能和恒定分数。方程(4)显示释放的热量的增加能量ΔE_T，可以导致更高的等离子体压力。因此，消融速率和等离子体压力相互促进并导致增强的激光冲击。

P＝P_e+P_p＝k_BT_en_e+k_BT_pn_p (2)

通过应用如过氧化氢(H₂O₂)的活性液体限制，以更高的压力产生增强的激光冲击。提出了快速化学蚀刻-辅助激光烧蚀的机理。由消融和蚀刻过程之间的相互促进所诱导的较大的消融率被认为是增强激光冲击的关键因素。因此，该方法打破了当前由于击穿而引起的水下脉冲激光加工的主要限制，并有效地将水下激光冲击强化(LSP)和脉冲激光烧蚀(PLA)的效率分别提高了150％和300％。因此，设想通过主动约束的增强的激光冲击可以显着地扩展脉冲激光工艺的应用，例如作为激光冲击强化(LSP)，激光辅助微加工和脉冲激光烧蚀(PLA)。

本发明的活性液体可以有效增强激光冲击的原因在于更多由快速化学刻蚀反应引起的有效刻蚀在激光烧蚀过程中同时发生。比较利用水H₂O作为约束相比，具有过氧化氢(H₂O₂)活性液体限制的铝合金6061的激光冲击强度(LSP)效率提高了150％，而锌的脉冲激光烧蚀(PLA)的消融率增加了300％。本发明具有在相同激光强度下产生更高的消融速率和冲击压力的附加机制，达到快速、高效、彻底清洗的目的，有巨大的应用潜力。本发明不限于水和过氧化氢H₂O₂，只要激光能够加热液体和颗粒的界面并产生局部升温和热反应液体，在液体中产生沸腾或爆炸性化学反应，使产生更高的压力清洁颗粒，那么液体和材料将有更加广泛的组合。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种基于活性液体和激光的纳米清洗方法，其特征在于：将活性液体膜沉积在所需要清理的物质的表面，通过激光加热液体和颗粒的界面并产生局部升温和热反应液体，在液体中产生沸腾或爆炸性化学反应，创造更高的压力来清洁颗粒，实现将颗粒清离物质表面的目的；所述活性液体为过氧化氢。