（光学专业论文）nd：yag脉冲激光除漆的实验和理论研究.pdf

人b s 七 a s ab s t r a c t l a s e r h a d t h e a d v a n t a g e s o f g o o d c o h e re n c e , s m a ll d i v e r g e n c e , h i g h b r i g h t n e s s a n d s o o n . s o i t w a s m o re a n d m o r e w i d e l y a p p l i e d i n m a n y re s p e c t s , s u c h a s l a s e r r a n g i n g , l a s e r p r o c e s s in g , l a s e r c o m m u n i c a t i o n , w i 山t h e m a t u r i ty o f t h e l a s e r t e c h n o l o g y , a n d t h e l a s e r c l e a n i n g a l s o g e n e r a t e d d u r i n g t h i s t i m e . c o m p a r e d w i t h t r a d i t i o n a l c l e a n i n g m e t h o d s , t h e l a s e r c l e a n i n g h a d m a n y v i r t u e s , f o r e x a m p l e , n o n - c o n t a c t , l o c a l i z e d a c t i o n , i m m e d i a t e c o n t r o l a n d f e e d b a c k , s e l e c t i v i t y , e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n , s a f e ty f o r m e n , re m o v a l m i c r o - p a r t i c l e , v e r s a t i l ity a n d re l i a b i l i ty . s o i t c a u s e d c o m m o n c o n c e rn a n d h a d w i d e a p p l i c a t i o n . l a s e r c l e a n i n g c a n b e a p p l i e d i n m a n y re s p e c t s , s u c h a s l a s e r c l e a n i n g a n c i e n t b u i l d i n g s a n d a r t w o r k s , l a s e r c l e a n i n g m i c r o e l e c t r o n i c d e v i c e s , l a s e r r e m o v a l o f p a i n t , l a s e r r e m o v a l o f r u s t , l a s e r c l e a n i n g m o l d , l a s e r c l e a n in g t h e s u r f a c e o f s u p e r - s m o o t h o p t i c a l s u b s t r a t e , l a s e r c l e a n i n g u n i v e r s a l r u b b i s h a n d s o o n . b e c a u s e o f t h e g r e a t p r a c t i c a l v a l u e i n l a s e r r e m o v a l o f p a i n t a n d f e w r e p o r t s fr o m h o m e a n d a b r o a d a b o u t 讯w e s e l e c t e d t h e l a s e r re m o v a l o f p a i n t a s o u r re s e a r c h o b j e c t . t h e p a p e r c o n c e rn e d w it h t h e e x p e r im e n t a n d t h e o ry o f r e m o v i n g p a i n t w i t h n d :y a g s h o r t p u l s e l a s e r . f i r s t , w e e s t a b l i s h e d t h e e q u i p m e n t o f e x p e r i m e n t a n d t h e e x p e r i m e n t a l m e t h o d s o n s h o r t p u l s e l a s e r r e m o v i n g p a i 城 w h i c h w e u s e d t h e n d : y a g l a s e r w i t h w a v e l e n g th o f 1 0 6 4 n m , t h e p u l s e w i d t h o f l o n s t o r e m o v e p a i n t f r o m s u b s t r a t e , t o m e a s u re t h e v a l u e o f c l e a n i n g t h re s h o l d a n d d a m a g e t h r e s h o l d o f t h e s a m p l e s , a n d t o a c q u i re t h e v a r i o u s f a c t o r s w h i c h a ff e c t t h e c l e a n i n g re s u lt , i n c l u d i n g t h e fl u e n c e , t h e p u l s e w i d t h , t h e w a v e l e n g th a n d r e p e a t fr e q u e n c y o f t h e l a s e r , t h e p r o p e r t y o f t h e s u b s t r a t e , t h e t h i c k n e s s o f p a in t , t h e a d h e s i o n b e t w e e n t h e p a i n t a n d s u b s t r a t e , a n d s o on. t h e n t h e m o d e l o f p a i n t re m o v a l b y s h o r t p u l s e l a s e r w a s b u i lt , w h i c h w a s c o n c e rn e d w i t h t h e a d h e s i o n b e t w e e n t h e p a i n t a n d s u b s t r a t e , t h e c h a n g e o f t e m p e r a t u r e , a n d r e m o v a l f o r c e . a c c o r d i n g w it h t h e c o n d i t i o n o f o u r e x p e r i m e n t w e a d o p t e d t h e t e m p e r a t u re m o d e l o f o n e d i m e n s i o n f in i t e l e n g t h s a m p le w i t h t w o a e ; a h a t i c e n d - a n d t h e mo d e l o f t h e rm a l s t res s a t t h e c o n t a c t s u r f a c e . aft e r t h e o r e t i c a l s i m u l a t i n g , w e c a n g e t t h e r a n g e o f t h e o r e t i c a l c l e a n i n g t h r e s h o l d a n d d a m a g e t h r e s h o l d , t h e t e m p e r a t u r e o f p a i n t a n d s u b s t r a t e . t h e t h e o r e t i c a l c l e a n i n g t h r e s h o l d s w e re i n a c c o r d a n c e w i t h t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s , w h i l e t h e t h e o r e t i c a l d a m a g e t h r e s h o l d s h a v e s o m e d e v i a t i o n . o n t h e w h o l e , t h e m o d e l o f p a i n t r e m o v a l 卜 s h o r t p u l s e l a s e r w a s s u i t a b l e f o r e x p e r i m e n t s . wh e n t h e l a s e r fl u e n c e w as m o re t h a n c l e a n in g t h r e s h o l d , w e c a n g e t t h e p a i n t w as r e m o v e d b e f o r e t h e l a s e r p u l s e e n d i n g . t h e l a s e r i r r a d i a t e d o n t h e s u b s t r a t e d i r e c t l y i n t h e l e ft t i m e a ft e r t h e p a i n t w a s r e m o v e d . t h e g r e a t e r t h e l as e r fl u e n c e w as , t h e m o r e q u i c k t h e p a i n t w a s r e m o v e d a n d t h e h i g h e r t e m p e r a t u r e o f s u b s t r a t e w a s . s o w e s h o u l d t a k e t h e i n fl u e n c e o f t h e r m a l e ff e c t 妙l a s e r i r r a d i a t i o n i n t o a c c o u n t a n d c h o o s e t h e s u it a b l e l a s e r fl u e n c e a c c o r d i n g t o t h e p r a c t i c a l d e m a n d . k e y wo r d s : l a s e r r e m o v a l o f p a i n t c l e a n i n g t h r e s h o l d t h e r m a l s t r e s s l a s e r d c a n 恤 9 南 口 干大 学 学 位 论 文 电 子 版 授 权 使 用 协 议 ( 请将此 协议书装订 于论文 首页 ) 论 文 n d : y a g m 材-a 4. 榷 ,= 钓 t3 和 理 ; . j 完 系本人在 南开大学工作和学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系本作品的唯一作者 ( 第一作者)，即著作权人。现本人同意将本作品收 录于 “ 南开大学博硕士学位论文全文数据库”。本人承诺:己 提交的学位论文电子 版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人 自 负。 本人完全了 解 南开 大学图书 馆关于保存、 使用学 位论文的管理办法。同意 南开大学图书馆在下述范围内免费使用本人作品的电子版: 本作品呈交当年，在校园网土提供论文目录检索、文摘浏览以及论文全文部分 浏览服务 ( 论文前1 6 页)。 公开级学位论文全文电子版于提交1 年后，在校园网上允 许读者浏览并下载全文。 注:本协议书对于 “ 非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院 系 所 名 称 : a (7 a 科 4 f c 作 者 签 名 : 舒- q 学号: 日期: 衅0 1 3 6 坷年s - 月2 8 日 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电 子版 本;学校有权保存学位论文的印 刷本和电 子版，并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国 家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电 子版; 在不以 赢利为目 的的前 提下，学校可以 适当复制论文的部分或全部内 容用于学术活动。 学 位 论 文 作 者 抓 -x -f 刁 年 a a 日 经指导教师同 意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: f1 r 5= ( ffc5 7y + 5 )m *lo * t- 104e )一一 一 卜一一下 a e * 20 (4 -k 20 if ,l- _ ._ - .- ._ “ 好 20 ae ) - - -一 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中己 经注明引用的内容外， 本学位论文的 研究成果不包含 任何他人创作的、己 公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 :一 奸 w i 7 年 了 a ) 日 第一章 绪论 第一章 绪论 在生活和生产中， 污染无处不在，清除污染也就成了非常重要的事情。一 般来说，清洗就是通过溶解、化学反应或施加机械力等手段来清除物体表面上 的污染物，使用的 方法有水冲洗、高压喷射清洗、真空中 热清洗、等离子体清 洗、离子清洗等。 自 从2 0 世纪6 0 年代第一台激光器产生以 来， 激光因为具有相干性好、 发散 角小、 能量高度集中 等特点在各个领域都得到了广泛的 应用， 比 如激光测距、 激 光加工、 激光通讯等。 到了2 0 世纪8 0 年代， 人们发现把高能量的激光束聚焦后 照射一些物品的被污染的部位， 使被照射的物质发生振动、 熔化、 蒸发、 燃烧等 一系列复杂的物理化学过程， 可以使污染物最终脱离物品 表面， 从而实现对表面 污染物的清除，这就是激光清洗。此后十几年来，激光清洗已 经从实验室内 走 向了实际应用， 用于油漆、油污、 锈蚀的去除， 文物、 微电 子线路板等各种材料 的清洗， 并取得了很好的经济和社会效益。 第一节 传统除漆方法与技术 金属、木材表面的 漆在受到光照 ( 特别是紫外线照射) 作用下会发生老化、 粉化;被化学物质侵蚀会使漆层溶胀或溶解、脆化; 加热高温作用会使漆层软 化、 熔化: 机械损伤会使漆层破裂。当漆层受到这些作用而破裂时就失去对基 材的保护作用和装饰作用，需要把它们除去重新涂漆。 传统除漆的方法可以分为两大类:化学除漆法和物理除 漆法。主要借助清 洗液对漆层产生溶胀、溶解作用，或者用机械强力加以去除，如使用刮除或用 高压水冲除。 1 . 1 . 1化学除漆法 化学 脱漆常用的 脱 漆剂 可 分为 碱性 脱漆剂和有机溶剂 脱漆 剂两 类u 1 ( 1 ) 碱性脱漆剂 碱性脱漆剂是利用碱对油基漆膜的皂化分解作用使旧 漆膜膨胀变软，从而 与基体分离，达到去除目的。这种脱除作用比较慢，往往需经过加热，因此工 业上碱性脱漆剂清除旧漆膜都是把脱漆件浸泡在液槽中加热数小时，待漆膜膨 第一章 绪论 松后再用刮刀铲除，并用清水洗净。使用碱性脱漆剂有成本低、使用安全对人 体影响小的优点， 但需脱漆槽、清洗槽及蒸汽加热装置。而且碱性脱漆剂对环 境会造成二次污染。 ( 2 ) 有机溶剂脱漆剂 根据清除的成膜物质不同 有机溶剂脱漆剂有多种不同配方，但一般都由 溶 剂、蒸发抑制剂、增稠剂、促进剂、缓蚀剂、表面活性剂等组成。 溶剂可使漆膜溶解、软化、溶胀;蒸发抑制剂是抑制有机溶剂挥发，使溶 剂与旧漆膜有充分时间接触;增稠剂使脱漆溶液有一定粘度，防止脱漆剂从漆 膜上流掉;促进剂有助于有机溶剂迅速渗入漆膜，提高聚合物在溶剂中的溶解 度的作用;在清除铝、镁等活泼金属表面的漆膜时，为防止金属被腐蚀要加入 缓蚀剂:为了 提高水对清洗后脱漆剂及剥离的漆膜的清洗去除能力，在脱漆剂 中加入表面活性剂。 化学脱漆法虽然很大程度上满足了现有工业生产和日常生活中的需要，但 是需要使用化学溶剂，这些化学脱漆剂会对地球环境、河流造成二次污染，甚 至可能会破坏大气层，危害人体健康。 l i j物理除漆法 ( 1 ) 高温加热. 漆膜在高温受热条件下， 会燃烧和碳化，利用这种方法可 去除钢铁和铝表面的旧 漆膜， 这种方法虽然所需时间短，产生的废物少， 但应 该注意安全及防火，这种方法不适合对不耐热金属进行处理。 ( 2 ) 较低温度下隔氧分解处理。 是把金属材料放在密闭、 低氧浓度的炉中 在3 8 0 - 4 2 0 0 c 温度 下处理3 - 9 h ， 使漆膜分解. ( 3 ) 流动床法。 把金属材料放在流动床中， 通过压缩空气使惰性的 无机颗 粒( 如a 1 2 0 3 ) 在流动床中悬浮， 在流动床中 金属材料呈悬浮状态， 在4 0 0 - 4 8 0 0 c 温度下发生氧化分解，一般处理 2 0 - b 0 m i n ，即可去除金属表面漆膜，这种方法 具有孔洞和特殊外型的物体不适合。 ( 4 ) 盐浴法。 把金 属浸没在硝酸钠的3 0 05 0 0 0 c的 熔盐浴中， 处理3 0 - -1 2 0 s . 利用盐浴的热传导作用和硝酸钠的氧化作用把漆膜去除。 ( 5 ) 高压喷射水。 用7 0 - 1 0 0 mp a 的高压水对金属网等材料进行喷射清洗可 去除其表面漆膜。 ( 6 )喷砂清洗。 利用喷射水或空气中含有的砂粒、塑料球、金属粒的喷射 第一章 绪论 作用可去除飞机外壳铝表面的旧漆膜，有时喷砂料中加入一些碱金属的盐 ( 如 n a 2 c 0 3 ) . ( 7 ) 低温浸泡。 利用低温下金属与漆膜膨胀系数的 差别，使漆膜皱缩与金 属分离剥离， 如把金 属放 在一 1 9 6 0 c液氮中 浸泡1 - 3 m i n . 第二节 激光清洗技术 1 . 2 . 1激光清洗技术的出现及其优点 传统清洗方法中大部分方法离不开水和化学溶剂。化学去污剂会对环境造 成二次污染，如使用各类去污剂清洗后的液体在排放后，会对地球环境、河流 等造成二次污染;又如超声波清洗法中常用的 c f c( 碳氟化合物)能够破坏臭 氧层，危害人体健康。 有些产品无法使用机械摩擦法，化学清洗法或水射流法， 例如某些可能溶于水的材料 ( 如石膏等)、容易被化学试剂损伤的材料 ( 如文 物雕塑)、难以用液体清洗的材料 ( 如某些半导体器件)、水和化学试剂难以 奏效的材料 ( 如铁锈，油漆等)。而有些污染物的尺度可能达到微米甚至亚微 米量级， 如电 子印刷线路板在蚀刻和喷镀工艺中的尘埃粒子。常规清洗技术对 于清除亚微米级的污染物是很困难的。 激光清洗技术则可以克服以上这些缺点，并已经应用于很多领域。随着激 光器技术不断完善、价格降低、发光波长的扩展，激光光源更趋于多样化、小 型化，易于操纵控制， 激光清洗技术的研究和应用也随之获得迅速发展。 其中 应用最广泛、效果最佳的是固体表面的清洗.例如，用短脉冲紫外激光器清除 物体表面 尺 寸 在0 .2 p m左右的 微小 颗 粒2 :; 用 高 重复 率的t e a - c o 2 激光 清洗固 体表面0 .; 用n d :y a g 激 光清洗大理 石石 雕4 : 另外激光 还可 清洗结构材 料表面， 清除磁头 滑动 装置中 的 颗粒等15 1 与其它清洗方法相比，激光清洗法具有如下的优点。 1 )无接触 以光的形式传递能量，而无需机械接触。这样就可以 清洗非常脆弱的材料 的表面. 2 ) 可以 准确定位 激光束可以精确定位在欲清洗的材料表面上，其光斑面积可以从零点几毫 米到几厘米间调整。可以 清洗不规则的或者比较隐蔽的表面。 3 第一童 绪论 3 ) 可以 实时 控制和反馈 通过 c c d相机和探测光实时监测材料表面反射率或者激光引起的表面声 波，来判断清洗效果。根据清洗的效果，在清洗过程中，可以随时关闭激光电 源，终止清洗。 4 ) 对欲清洗对象具有可选择性 只要设定好合适的参数， 就可以有选择性地清洗掉物体表面的脏物，而不会 破坏原物。这种技术可以保存原有物体表面完好。 5 )对环境无污染，对人安全 不需要 任何有害的 化学清 洗剂， 只会产生很少的废物( 比 如， 对于石灰石上 粘附 的o . i m m 厚的 均 匀 黑 色 污染 物 ，产 生 大 约i o o g / m 2 的 废 螂. 不 会引 入附 加的 任何杂质。工作时只需要普通的防护衣和面罩。 6 )能有效清除微米级及更小尺寸的污染微粒 7 )多用途和可靠性 激光清洗已 经成功地用于清洗大理石、石灰石、沙岩、陶器、雪花石膏、 熟石青、铝、骨头、犊皮纸和油漆等有机物多种材料。 1 . 2 . 2激光清洗的原理 激光清洗过程实际上是激光与物质相互作用的过程，包括一系列复杂的化 学物理效应。许多研究人员对此做了 大量的 研究， 研究表明， 污染物和它所附 着的物体表面之间的结合力主要有: 共价键、双偶极子、毛细作用、氢键、范德 瓦尔斯力和 静电 力， 其中 范德瓦尔斯力、 毛细 作用、 静电 力最难 破坏6 激光清 洗其实就是利用激光的高亮度等特性， 破坏掉污染物和物体之间的 这些作用力， 而不损坏物体本身。 由于污染物的成分和结构复杂， 激光与之作用的机理也有所不同，科学家 们提出了各种理论模型，对此进行解释。最常用的解释有以下几种: 1 ) 激光可以实现能量在时间 和空间上的高度集中，聚焦的 激光束在焦点附 近可产生几千度甚至几万度的高温，使污垢瞬间蒸发、气化或分解。 2 ) 激光束的发散角小，方向 性好，通过聚光系统可以 使激光束聚集成不同 直径的光斑。 在激光能 量相同的条件下， 控制不同 直径的 激光束光斑可以调整 激光的能量密度，使污垢受热膨胀。当污垢的膨胀力大于污垢对基体的吸附力 时，污垢便会脱离物体的表面。 第一章 绪论 3 ) 激光光束可以 通过在固体表面产生超声波， 产生力学共振，使污垢破碎 脱落。 图1 . 1 形象地表示了 激光清洗的 机理 7 1高 亮度和方向 性 好的 激光， 通过光 学聚焦整形系统形成高能量的激光束，照射物品需要清洗的部位，被其表面上 的污染层所吸收，通过光剥离、气化、超声波等过程，使污染物脱离物体表面。 激光束沿着一定的轨迹扫描，就可以实现大面积的清洗。对扫描的激光束用计 算机控制，对清洗表面进行监测，则可以实现自 动控制的激光清洗。 图1 . 1激光清洗机理图 1 .2 3激光清洗的 分类 依据基底材料的特性、基底表面的精度、表面粗糙度及污染物的种类，可 以将目 前的激光清洗方法分成以下两大类。 1 ) 激光干式清洗法。 激光直接照射在物体表面， 污染物或表面吸收能量后， 通过热振动、光分解、气化等使污物离开表面。如图1 .2 所示。 2 )激光湿式清洗法。 在欲清洗的材料表面喷上一些无污染的液体 ( 主要是 水，有时也采用酒精)，然后用激光照射，液体介质吸收激光能量后，产生爆 炸性汽化， 把其周围的 污染微粒推离材料表面。 如图1 .3 所示。 此外还有人提出了 激光复式清洗法。激光能量被基底材料吸收，然后通过 第一章 绪论 热对流， 把吸附的中间 介质加热，中间介质产生爆炸性汽化，在高气流的推动 下，微粒随同中间介质一起脱开基底表面。 枝子 ( a ) ( b ) 图1 . 2 千式清洗的动力学过程示意图 ( a )激光为基体所吸收 b )激光为吸附粒子所吸收 ( a ) n ) 图1 . 3湿式清洗的动力学过程示意图 ( a )激光完全为基体所吸收 b )激光完全为液体所吸收 1 入射激光2 一一液体膜3 -污染粒子 呜 一一爆炸性蒸发5 基体 ( 被清洗物质) 第一章 绪论 对实验进行了一些规律性总结。尽管如此，激光除漆的实验还是有很多方面值 得深入研究， 特别是在除漆的激光参数优化、检测手段等，也是今后这方面研 究的发展方向. 在理论方面:根据前面对于激光清洗方法的介绍，目 前针对激光清洗主要 的清洗理论主要分为两大种:一是千式清洗理论， 一种是湿式清洗理论， 对于 激光除漆而言， 干式激光清洗的效果明显优于湿式，因而被广泛采用。此后大 部分关于激光千式清洗的理论研究重点主要侧重于各种微粒的清除而对于样品 表面的薄膜、涂层的清除则相对较少，尤其是激光脱漆层方面，详细的理论介 绍很少; 在具体的 清洗 机理方面， 对于 微粒的 研究也是 相应的 较为深入6 1 2 7 1 气 在激光除漆的理论方面，早期大家对于详细的机制并不是很清楚，简单的套用 了一些激光清洗中现成的清洗机制，如:烧蚀效应、振动效应、声波震碎效应、 等离子体效 应、 甚至光压效应3 3 1 。 经过很长时间的 实 验研究，目 前公认的 激光 除漆的效应主要就是烧蚀效应和振动效应这两个方面，多数激光除漆理论将研 究重点放在烧蚀效应上面，而对于振动模型则涉及不多，仅限于简单的加速度 模型，由于该模型较为粗糙，仅可以 作为定性的分析，很难对实验结果进行较 好的分析，因而目 前在激光除漆的理论研究方面的重点就是建立一种合理并且 较为准确的干式激光振动效应的除漆理论，以便能好地的指导实验研究，推动 激光除漆的技术发展。 1 . 3 . 2国内研究进展情况 由于认识和实验条件方面的原因， 我国 激光清洗方面的实验和理论研究起 步较晚，尤其是在技术方面仍有很大的差距。在激光除漆的实验研究方面主要 是效仿国外的 研究方法， 所采用的装置主要是c 0 2 . t e a c 场等连续或准连续 的 激光器3 4 3 5 7 ， 利用n d : y a g脉冲激光 器进行除 漆研究的并 不多 见。 技术方面 目前国内只有极少研究单位可以制作一些用于激光清洗的样机，产品还不成熟， 其效果与国外产品还有一定差距。 在理论方面国内对于激光清洗的理论研究更加滞后，特别是激光除漆的理 论方面国内几乎一片空白，甚至仍停留在定性的分析水平，由于没有很好的理 论模型，大部分的实验结果 ( 比如清洗阐值)仅作为技术参数罗列出 来，缺乏 深入地分析， 这也是 造成国内 傲光除漆的实验和技术发展滞后的一个重要原因。 因而对于激光除漆的理论进行更加深入地研究是目 前研究工作中的当务之急。 第一章 绪论 第四节 论文的对象、内容及意义 本文选择脉冲 n d : y a g激光器除 漆作为研究对象， 无论在实验上还是理论 上都进行深入研究。 本论文的实验和理论主要是从以下几方面展开的: 1 )建 立n d :y a g 激 光除 漆的 实 验装置 和 实 验 方 法: 通过实 验 测出 激 光除 漆 的清洗闽值和损伤阐值，比较不同能量密度下激光的除漆效果， 并且测 出不同 基底的清洗阐值， 分析影响激光除漆效果的主要因素; 2 )建立了 短脉冲激光除漆的 模型，该模型考虑到漆层和基底之间的 粘附 力、 温度变化以 及脱离力。 符合实验条件的温度采用有限长度样品的两 端绝热的温度模型， 脱离力则是接触面热应力模型。 通过比较粘附力和 脱离力得出 激光清洗的条件; 3 )用我 们建立的 理论模型算出 不同 基底的 清洗阐 值、 损 伤闽 值以 及油 漆和 基底的温度变化情况，分析理论结果并与实验结果相比较。 无论是对飞机蒙皮脱漆还是日 常生产生活除旧 漆，激光除漆技术都具有很 大的市场和应用前景，并且可以产生巨大的经济效益。选择激光除漆作为论文 研究的对象， 建立激光除 漆的实验方法和理论模型， 对实际 应用具有重要的指 导意义和推动作用。 第二章 徽光除漆的实验研究 第二章 激光除漆的实验研究 本章内容主要是对激光除漆的实验进行介绍，分别介绍了 实验装置、 清洗 阐值和损伤阐 值的实 验测量方 法、 样品的 制备及其反射率 和透 射率、实 验效果 以及分析了影响激光除漆效果的因素。 第一节 实验装置和实验方法 2 . 1 . 1实验装1示意图 我们使用的激光除漆的实验装置示意图如图2 . 1 所示。 图2 . 1激光除漆的实验装置示意图 1 -n d : y a g激光器， 2 -焦距为3 0 c m的凸 透镜， 3 一部分反射镜， 4 -油漆样品， 5 -平台， 6 ， 一 .能量计， -能量计的 探头 激光器是波长为1 0 6 4 n m f 5 3 2 m n 的n d : y a g激光器 ( j s y - 0 1 型) ， 可以 选择 调q 状态 和自 由 状态， 其中 调q 状态时 脉宽为i o n s ， 单 脉冲能量最 大值为2 2 0 m b 自 由 状态时 脉宽 为2 0 0 p s . 单脉冲能 量最大 值为5 0 0 m j 。 重复频 率为1 h z 或者 2 hz . 为了更好的利用激光器输出的激光， 我们使用了一个焦距为3 0 c m的凸 透镜 对激光进行聚焦。为了能实时的监测照射在样品上的激光的能量，我们用了一 个部分反射镜，让一小部分的能量通过能 量计。 这是激光清洗的核心部分，在实际应用时对于一个完整的激光清洗机还要 第二章 激光除漆的实验研究 包括 检测 样品 是 否 清洗 干净的 检测 装置3 9 -4 0 、 反 馈装置、 传动装置、自 动控制 装置、避免二次污染的吸附装置等等。 2 . 1 . 2清洗闭值和损伤闭值的实验测量方法 2 . 1 . 2 . 1清洗闭值和损伤闭值的定义 激光能量密度低于某一闽值时，即使延长清洗时间也无任何清洗效果，该 阐 值 称为 清 洗阐 值 4 1 1 另一方面，超过某一阐值时，清洗效果虽然还存在， 但是基体表面已经被 损坏， 这个阐 值称为 损伤闽 值 14 1 1 ， 它取 决于 基体 材料的 耐损 伤性. 当激光能量密度达到清洗闽 值时，由激光所引起的热应力导致吸附在基体 表面上的漆层克服吸附力的束缚而向前喷射，然而当激光能量密度进一步提高 到达损伤阐值时，基体所吸收并转化的热能使表面温度上升到基体的熔点，从 而导致基体损伤。 2 . 1 .2 . 2清洗闭值和损伤闭 值的实验渊且方法 通过能量计实时监测激光能量e ， 再用游标卡尺测出照射在油漆样品上的激 光 光 斑 直 径d ， 最 后 根 据 公 式e = e / d a p / 2 广 ， 算出 清 洗时 的 激 光 能 量 密 度e . 我们用显微镜观察在不同能量密度的激光照射后基底表面的变化，以此来 确定清洗闽值和损伤阐值. 第二节 激光除漆的实验结果 2 . 2 . 1样品的制备以及反射率、透射率侧试 2 .2 . 1 . ，样品的制备 我们从实验室内 和其它地方收集了 很多油漆样品， 对它们进行了除漆实验， 掌握了一些实验技能和规律。为了更好地深入了解激光除漆机理，我们请汽修 公司的专业喷漆师傅帮我们在合适的铁和铝基底上均匀喷上了汽车用漆，铁和 铝基底的规格均为2 0 0 x 5 0 x 1 ( m m) 。我们对这些样品的 漆层和基底的反射率 和透射率进行了测量，为进一步研究激光除漆做准备。 下面我们以 样品 i , ii , ii i 为例给予详细介绍。 第三章 激光除漆的理论研究 第三章 激光除漆的理论研究 目 前国内 外对于激光清洗层 状污染物的 机理的研究很少6 1 2 1 5 4 2 1 ， 通过研 究计算分析我们总结出 短脉冲激光除漆的 理论模型。 激光除漆的理论包括三部 分模型: 粘附力模型、温度模型和脱离力模型。我们用这个理论对给定的实验 条件进行理论计算和理论模拟得出 激光除漆的理论结果，并且和实验结果相比 较发现两者基本吻合。 第一节 短脉冲激光除漆理论模型的建立 工 1 . 1油漆枯附力的理论模型 油 漆与 金属粘附力 受很多因 素 影响 4 3 1 s 我们简化地把油 漆与金属的 粘附 力的 计 算看作 两 个平 行平面之间 粘附 力的 计 算。 两个平行平面之间的 粘附 力为 网 f= h 1 2 8 n y ( 3 . 1 ) 这里的f 是单位面积的粘附力， 其中h 1 2 是l i f s h i t z - v a n d e r w a a l s 常 数，是与 相互接触的 材料有关的一个量。 z 是相互接触的两个平行平面的距离， 、 一般情况 是z - 4 x 1 0 1 0 m . 又因为 1 5 1 标 气 2 =- 人2 j 其中a 1 2 是油漆和金属基底相互接触的 ( 3 .2 ) 系数， 它可以由下式计算得 a 12 . 了 1 1a . ( 3 . 3 ) 从物理 参数表中 可以 查得油 漆与油漆相互接触的h a m a k e r 系 数a l l -8 x 1 0 2 0 7 ; 金 属 和金 属 相互 接 触的h a m a k e r 系 数a 22 的 范围 近 似为3 0 x 1 0 -2 1 7 _ 5 0 x 1 0 2 0 7 4 4 . 所以 计算得到油 漆与金属的 粘附力的 范围 近似为 1 . 2 8 x 1 0 n / m 2 - 1 . 6 6 x 1 0 8 n / m 2 . 第三章 激光除漆的理论研究 工 1 . 2激光除漆的 一维温度模型 当激光照射到油漆上时会发生反射、 透射和吸收。 如图3 . 1 所示， 首先激光 入射到油漆上，油漆吸收激光，产生热能，温度发生变化， 其变化满足热传导 方程，接着透过油漆的 激光继续被基底吸收，也产生热能和温度变化，并且温 度变化也满足热传导方程。下面我们推导了三种边界条件下的温度模型，这些 温度模型都建立在以下的条件下: 1 )假设激光光 强在x - y平面上是平顶分布; 2 )吸收的 激光 光强 在z 方向 上的 分布是遵守 光的 吸收定 律; 3 ) 由 于在z 方向上的热传导深度远远小于在x - y 平面上激光的 照射范 围， 所以近似认为x - y平面是无限大的平面， 因此我们只需考虑在 z方向上的一维热传导方程。 图3 . 1激光清洗示意图 接下来 推导的 热 传导 方程中t ( z ,t ) 表示随位置和时间 变化的 温度， p 是物体 的密度，c是物体的比热容， x是物体的热导率，r是物体对激光的反射率，a 是物体对激光的 吸收 率， 。a是物体对激光的吸收系数， 了 是物体的 线膨胀系数， 与 是照射激光的 光强， t 是脉 冲激光 作用时间即 激光脉宽， 1 是物 体的 厚 度， a e= v p c 是物体的热扩散率。 3 . 7 . 2 . ，两端绝热有限长度的温度模型 热传导方程: _ _ 8 t ( z , t ) 一 声 :尸-一 几 优 8 2 t ( z , t ) 浇2 十 ( 1 一 r ) i , a e - -4 ( 。 _ t t , 0 5 z 5 1 ) ( 3 .4 ) 边界条件为 第三章 激光除漆的理论研究 ( 3 . 5 ) n0 一一1 词川 刃-击打一由 了以1、1-日 初始条件为: t ( z , o ) = 3 0 0 ( k ) ( 3 .6 ) 其中除了t ( z t ) 以 外， 其 余参数均为常量， 包括k . ( 其中虽 然p , c , i a , 和丫 是随 温 度变化的 量， 但是 在这里都 假设成常 量， 通过后面的 计算可知油 漆的 温度变化不大，在清洗闽值附近铁基底的温度变化也不大，所以 这种假设是成 立的. ) 联合方程 ( 3 .4 ) ( 3 . 5 ) ( 3 . 6 )解得: t (z ,。 二 t l . 阵丫 co s( j 1 一 。 -a (1 )t,1 + c o， 十 3 0 0 、。 一 1,2 ,3 .) 石 a , , n 7 r l ( 0 s t r , o 5z 5 1 ) ( 3 .乃 温度变化为: a t ( z , t ) 二 t ( z , t ) 一 t ( 2 ,o ) 二 cn l 1 2 oos(nf zn la, ln/r l1 一 w nxt1e j + cot (k ) (n 一 ,2,3二” 其中: c 2 a l o (1 - c o s n yre -)x = - r / ,2 户 几.刀兀 1 十 l l ,4 ) c a = a l. t1p c/ 一) ( o s t r , 0 5 z 5 l ) ( 3 .8 ) ( n = 1 , 2 , 3 . . .) ( 3 .9 ) ( 3 . 1 0 ) 注意在计算基底的温度时， 要考虑到基底吸收的是透过油漆的激光， 式( 3 .4 ) 中的i q 要换成 作用在 基底上的激光光强i = t s， 其中tp 为油 漆对激光的 透射率， 第三章 激光除漆的理论研究 r n + va v 1 . r v 为油 漆 对 激 光的 反 射 率 ， ，为 油 漆 对 激 光的 吸 收 率 . 3 . 1 . 2 . 2前端导热无限长度的温度模型 热传导方程: 8 t ( z . t ) 户 c=沁 of 8 2 t ( z , t ) 兔2 ( 0 st r , 0 5z 50 0 ) ( 3 . 1 1 ) 边界条件为: 日 t 一 “ 言1=-0 = a i o ( 3 . 1 2 ) t 1-= 0 初始条件为: t ( z , 0 ) = 3 0 0 ( k )( 3 . 1 3 ) 联合方程 ( 3 . 1 1 ) ( 3 . 1 2 ) ( 3 . 1 3 )解得: t ( z , t ) 其中: 2 a l n r .， ， z = _ja . r i 己 月c t - - l a ”一 2 v a , t ( 3 . 1 4 ) ierfc(x ) = (r 分 一 ds)dp 注: ierfc(x) = 一erf (x )十 去 e-11, erf (x) = 去 r e ds ， erfc(x ) 一 f 去 “ ， 即 erfc = 一 2丫 ( e rf c ( x ) y = 一 第三章 激光除漆的理论研究 3 . 1 .2 . 3前端绝热无限长度的温度模型 热传导方程: pc8 t ( z , t ) a t = a a 2 t ( z , t ) 十 a l a e - - 浇 ( 0 s t r , 0 5 2 - 0 0 )( 3 . 1 5 ) 边界条件为 ， 刁 t. - : t 畜i 4 = u ( 3 . 1 6 ) t i_= 0 初始条件为 t ( z , 0 ) = 3 0 0( 幻( 3 . 1 乃 联合方程 ( 3 . 1 5 ) ( 3 . 1 6 ) ( 3 . 1 7 )解得: ( x - e 户 t ( z , t ) = 厂 a l 0 a ,- a t 一 i节 ( e 4 u,(i- r ) 、 咐 .pc a 心) r t t 一丁 少 ( x + e ) 2 4 4( 1 - 约) d e d r 3 . 1 3激光除漆脱离力的理论模型 激光照射使得油漆和基底温度升高，开始认为:是由热膨胀产生的加速度 而使得油漆脱离的，但是这个简单加速度模型不能解释一些实验现象， 存在弊 端:于是接着产生了另一种观点:是由 温度升高产生的 接触面热应力使得油漆 脱离的，即