激光清洗技术的基本机制及其在工业中的典型应用（下）

（上半部分内容详见 10 月刊 p22）

3.1.2.涂层和油漆
涂层和油漆是保护金属材料免受氧化和腐蚀的其他有效方法。然而，随着涂层和油漆使用时间的增加，其保护能力也会逐渐丧失。在工程领域，首先需要清除失效的旧涂层和油漆，然后更换新的涂层和油漆。激光清洗作为一种先进的表面清洗技术，在清除金属基材表面的废旧涂层或油漆时显示出良好的清洗效果。

图 6：氧化锌层表面的金相图，（a）激光清洗；（b）酸洗

例如，Gao等人利用激光清洗技术去除2024铝合金实验样品上的环氧树脂粘合剂涂层。实验结果表明，获得的残余底漆涂层非常光滑。此外，激光热烧蚀在基材表面产生的微小孔洞使接触面积增大，有助于提高新涂层的附着力。

Liu等人使用波长为1064nm的脉冲光纤激光器去除涂覆在TC4钛合金板表面的35μm厚的环氧锌黄漆层，他们通过调整激光器的清洗速度和能量密度实现了这一目的，激光清洗后的钛合金表面粗糙度与未清洗的表面粗糙度相似。

3.1.3.氧化层
除了油膜和涂层，激光清洗去除氧化层也是一项重要应用。与油膜、涂层和油漆等其他表面层不同，金属材料的腐蚀层主要由其自身的氧化物组成。因此，不同金属材料的激光清洗处理方法也不尽相同。例如，Wan等人利用激光清洗去除Q235碳钢表面的氧化层。他们使用了波长为1064nm、脉宽为340ns、重复频率为250kHz、激光功率为90W的光纤激光器。他们发现，激光清洗能有效去除氧化层并降低表面粗糙度。

此外，在表面腐蚀条件不严重的情况下，激光清洗的清洗效果要优于机械抛光法。Zhu等人采用传统酸洗工艺和激光清洗方法去除钢板上的氧化锌层，激光清洗和酸洗后氧化锌层表面的金相图如图6所示。与传统酸洗工艺相比，经过激光清洗预处理的钢板锌层更均匀、更光亮、缺陷更少。

然而，清洁效果并不总是很理想。例如，Li等人用激光清洗纯TA2钛。氧化层被有效去除，但由于激光瞬间产生的高温，表面出现了脆性断裂。Atanassova等人使用激光清洗去除铜和黄铜样品上的腐蚀。在直接观察下，腐蚀似乎被有效清除，但在光学显微镜下，清洗区域并不均匀。

此外，还需要优化激光工艺参数，选择合适的激光设备。Prokuratov等人使用多种激光去除氧化铁层，发现几乎每种激光都能使氧化层脱水成Fe3O4层，从而导致清洗表面变暗。只有脉冲宽度为800nm、脉冲频率为150Hz的Ti:Sa激光能在不改变表面颜色的情况下去除氧化层，但清洁效率非常低。

◆3.2.非金属材料
非金属基材暴露在各种环境中时，表面会出现老化涂层、酸腐蚀、结壳和生物膜等附着物。因此，有必要清除表面附着物，以改善表面质量，延长材料的使用寿命。

玻璃、陶瓷和树脂具有良好的绝缘性能，因此被广泛应用于许多领域。激光清洗在这些材料的表面清洗方面表现出色。例如，Ren等人利用激光清洗技术清除了玻璃、陶瓷和硅橡胶等电气绝缘部件上的污染物。他们发现，在调整激光工艺参数时，激光可以实现无损清洗，而不会影响绝缘材料的性能。激光清洗还可用于进行选择性清洗，例如分离这些材料的组合。

Barnier等人使用两种脉冲紫外激光器（波长为193nm、脉宽为18ns的ArF激光器；波长为 248nm、脉宽为33ns的Krf激光器）成功地去除了单模光纤外层的丙烯酸保护套。去除外层树脂并没有对内部光纤造成任何损坏。至于非金属基底，由于玻璃基底的透明度，很难去除玻璃基底上的附着物。由于玻璃的吸收率相对较低，而且其激光清洗阈值接近损坏阈值，因此很难实现无损清洗。

为了解决这一问题，Weng等人提出了激光诱导背面湿式清洁技术。在该实验中，使用脉宽为150ns、重复频率为2kHz的Nd:YAG激光来清洁玻璃基板背面的金属板。由于金属板吸收了大部分激光能量，金属板表面产生了湍流气泡。在气泡的冲击下，玻璃背面尺寸为0.5μm 的氧化铝颗粒被清除。不同功率激光的清洁结果如图7所示，可以看出激光清洁区域没有任何氧化铝颗粒。

图7：氧化铝颗粒去除区域的光学显微镜图像，（a）激光功率为13W；（b）激光功率为39W

在石材方面，Pozo-Antonio等人分析了一层受污染花岗岩的成分，并总结了花岗岩的各种激光清洗实验。结果表明，激光具有良好的清洁能力，可以去除花岗岩表面的颜料涂鸦和生物膜层，但对硫酸盐结壳的清洁效果并不理想。

图8：激光清洁前后CFRP层压板表面的宏观照片

随着对轻质结构的需求日益增长，不同材料制造的混合结构正得到越来越广泛的应用，尤其是在飞机制造业。在这种情况下，使用多材料组件是一种可行的解决方案。例如，使用碳纤维增强塑料（CFRP）和聚碳酸酯（PC），可以获得强度高、综合性能好的混合结构。为了提高材料的粘合性能，在进行多材料连接之前，需要去除碳纤维增强塑料的环氧树脂覆盖层。

Genna等人使用激光清洁技术去除CFRP上的环氧树脂层。图8是激光清洗前后CFRP层压板表面的宏观图。在这项工作中，选用了Q开关Yb:YAG光纤激光器，激光功率为30W，波长为1064nm，脉冲频率为30kHz，脉冲宽度为50ns。很明显，从第一层基体到光纤的暴露层都被清除了，没有任何明显的损伤。

激光清洗多种材料有两个主要目的。其一是去除表面涂层。例如，几十年来，激光清洗一直用于清除飞机蒙皮上的油漆层。另一个目的是清洁复合材料的接缝，提高接缝强度。Yokozeki 等人在粘接前使用激光清洗去除CFRP。他们选择了波长为10.6μm、脉冲频率为50Hz、激光功率为250W的脉冲CO2激光器。实验结果表明，激光清洁后，粘接接头的剪切强度得到了提高。与用砂纸进行机械打磨相比，激光清洁可以提高材料的强度，并防止砂纸处理时出现的表面纤维断裂。

◆3.3.半导体元件
随着科学技术的飞速发展，电子元件的体积越来越小，电子元件的集成度越来越高。然而，电子元件在制造过程中产生的微纳米杂质颗粒会严重影响其质量。因此，清除半导体表面的微/纳米杂质颗粒已成为一个亟待解决的问题。

20世纪90年代，IBM的研究人员利用液膜辅助激光清洗法去除光掩膜表面的颗粒，推动了激光清洗半导体元件的工业应用。与化学试剂结合物理接触等传统半导体清洗技术相比，激光清洗具有无需接触、高精度、无污染等优点。因此，激光清洗是去除半导体工业污染颗粒的最有前途的方法之一。

图9：激光清洗前后的晶片表面图像，（a）激光清洗前；（b）激光清洗后

在半导体元件中，硅晶片是集成电路制造的核心。在生产过程中，硅片表面不可避免地会出现污染，因此有必要清除受影响表面的污染颗粒。2000年前后，一些学者发现激光清洗技术可以有效去除硅片和薄膜上的各种颗粒（如金、钼和硅）。Lee等人使用激光清洁去除硅晶片上的氧化铝颗粒；在该实验中，选择了波长为1064nm、脉冲能量为1.2J的Q开关Nd:YAG 激光器。激光清洁前后的硅片表面图像如图9所示。许多均匀沉积在晶片表面的颗粒通过激光清洗成功清除。

由于硅晶圆的高精度要求和易损性，许多研究人员都在关注激光清洗过程中基底的损伤机制和阈值。例如，Kim等人利用激光清洗（等离子体冲击波机制）去除EUVL掩膜层上直径为50nm的二氧化硅颗粒。在进一步的研究中发现，当激光焦点与基底之间的距离为1.5mm时，实验样品的表面会受到损坏。此外，当距离超过3mm时，直径小于100nm的颗粒也能被清除而不会造成任何损坏。

Lai等人利用等离子体冲击波机制进行激光清洗，以去除硅晶片基板上的纳米颗粒。在这项工作中，使用了波长为1064nm、脉冲宽度为12ns、重复频率为1Hz的Nd:YAG激光器。研究人员发现，纳米粒子的存在可以降低基片的损伤阈值。当颗粒的尺寸增加到140nm时，硅衬底的损坏阈值可降低到清洁衬底的40%左右。此外，一些研究人员还对激光清洁过程中颗粒的受力和运动行为进行了研究。

Liu等人研究了激光辐照硅片表面纳米铜颗粒的动态过程，得到了激光辐照后颗粒的初始速度和激光辐照期间颗粒的平均加速度，为研究人员研究颗粒从硅片表面去除的机理提供了理论参考。

◆3.4.其他应用
除了金属材料、非金属材料和半导体元件领域，激光清洗技术还广泛应用于其他领域。在核工业领域，激光清洗是处理放射性污染物的最有效方法，例如清除玻璃表面的放射性颗粒和核电站反应堆管道的核污染。如图10所示，Roberts等人利用激光清洗技术清除了金属基材表面的铀化合物污染。污染的厚度和覆盖范围变化很大，整体外观呈现出锈迹。激光清洗后，实验样品表面几乎完全清除了锈层中混杂的硝酸铀污染。

图10：激光清洁去除钢表面的铀混合物

在光学领域，具有热释电和压电对称性的光学材料可以显示出体积光电效应；应用激光清洁技术可以抑制光学损伤。例如，Kösters等人利用激光清洁技术清洁铌酸锂晶体，成功地减少了电子损失的数量，防止了晶体折射率的变化。激光清洗可以去除天然纤维（包括木材和纸张）表面的墨水或油漆。例如，Scholten等人使用激光清洗去除纸张样本上的墨迹。位于纸张表面的墨迹可以成功去除，但如果墨迹已经深入纤维之间，则很难去除整个墨迹。

图12：激光照射后不同聚合物层的扫描电镜图像，（a）掺碳聚碳酸酯上的线状点；（b）聚醚醚酮上的离散点；（c）PI上的锥形结构

激光清洁技术还可用于清除生物医学领域的生物膜。与传统的表面清洁技术相比，激光清洁具有清洁和消毒能力更强的优势。在几乎所有的表面清洁领域，激光清洁都表现出了取代普通表面清洁技术的能力，甚至可以创造出一种新的表面清洁方法。

图11：水滴从激光照射产生的疏水性油漆表面滚落的时间序列

除了这些单独的表面清洁应用外，将激光清洁与激光抛光和激光蚀刻相结合的精密加工技术已逐渐成为主流生产技术。这种新型精密加工技术可以实现无损微加工，改善材料的表面性能。例如，Miguel等人利用激光清洗技术改善了镀锌不锈钢基材上涂漆表面的自洁性能。这项工作选用了脉冲宽度为350fs、波长为1032nm、脉冲频率为300kHz、脉冲能量为16μJ的飞秒激光。激光清洗后，大小可控的颗粒被施加到表面，然后通过调节清洗样品的滚落角成功地从表面去除。倾斜角度为5度时的表面疏水过程如图11所示。

它可被视为一种间接清洁方法，可改变材料的表面结构，降低附着物的附着力。聚合物基材具有耐油性强、耐温性好、介电损耗低等理想特性，因此得到广泛应用。精密加工技术可以更容易地改变聚合物基材的表面结构，因此在聚合物基材方面有着更广泛的应用。如图12 所示，可以在聚合物中制造出离散点、凹槽、锥形特征或分层结构等特征。这些特征不仅能保持材料的原有特性，还能改变其表面特性，包括粘附性、摩擦性、自洁性、疏水性等。例如，一些研究人员使用紫外激光清洁老化的聚乙烯和聚酰亚胺薄膜，在改善表面疏水性的同时有效降低了有机污垢的附着程度。

4.结论

激光清洗可以去除各种基材表面的不同附着物，被认为是一种先进的表面清洗技术。本文总结了激光清洁技术的基本机制，并概述了激光清洁的典型工业应用。主要结论如下。

(1)激光热烧蚀机制、激光热应力机制和等离子体冲击波机制可分别表示为蒸发过程、振动过程和冲击过程。激光热烧蚀机制和激光热应力机制是最常见的激光清洗机制。这两种机制的共同特点是脉冲激光束直接照射表面。在等离子体冲击波机制中，激光束平行于基材表面。

(2)激光清洁机制与激光波长密切相关；对于高吸收性介质，激光热烧蚀机制占主导地位。对于吸收性较低的介质，激光热应力机制占主导地位。

(3)激光清洗在许多工业领域都具有独特的优势。它可用于去除不同基底材料（如金属材料、非金属材料和半导体元件）上的大部分附着物，还可用于其他应用领域。通过选择合适的激光工艺参数和激光设备，可以完全避免表面损伤。

(4)在某些情况下，激光清洗并不能达到理想的清洗效果。可以使用机械和化学清洗方法对复杂或深度腐蚀进行预处理。这有助于提高激光清洗的清洗效果。

作者：Zhihu Zhou（汕头大学智能制造技术教育部重点实验室）、Weipeng Sun（华能国际电力股份有限公司汕头发电厂）
 

来源：荣格-《国际工业激光商情》

原创声明：
本站所有原创内容未经允许，禁止任何网站、微信公众号等平台等机构转载、摘抄，否则荣格工业传媒保留追责权利。任何此前未经允许，已经转载本站原创文章的平台，请立即删除相关文章。