Nguyên lý, các loại và ứng dụng của công nghệ làm sạch bằng laser.

Nguyên tắc, các loại và ứng dụng củalàm sạch bằng lasercông nghệ

Công nghệ làm sạch bằng laser là một ứng dụng thành công của công nghệ laser trong lĩnh vực kỹ thuật. Nguyên lý cơ bản của nó là sử dụng mật độ năng lượng cao của tia laser để tương tác với các chất bẩn bám trên bề mặt vật liệu, khiến chúng tách ra khỏi bề mặt thông qua quá trình giãn nở nhiệt tức thời, nóng chảy và bay hơi khí. Công nghệ làm sạch bằng laser có đặc điểm là hiệu quả cao, thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng. Nó đã được ứng dụng thành công trong các lĩnh vực như làm sạch khuôn lốp xe, loại bỏ sơn trên thân máy bay và phục chế di tích văn hóa.

Các công nghệ làm sạch truyền thống bao gồmlàm sạch bằng ma sát cơ học(Làm sạch bằng phun cát, làm sạch bằng tia nước áp lực cao, v.v.), làm sạch bằng hóa chất chống ăn mòn, làm sạch bằng sóng siêu âm, làm sạch bằng đá khô, v.v. Các công nghệ làm sạch này đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Ví dụ, làm sạch bằng phun cát có thể loại bỏ các vết rỉ sét trên kim loại, các gờ trên bề mặt kim loại và lớp phủ chống ăn mòn trên bảng mạch bằng cách chọn chất mài mòn có độ cứng khác nhau. Công nghệ làm sạch bằng hóa chất chống ăn mòn được sử dụng rộng rãi trong việc làm sạch các vết dầu trên bề mặt thiết bị, cặn bám trong nồi hơi và đường ống dẫn dầu. Mặc dù các công nghệ làm sạch này đã được phát triển tốt, nhưng chúng vẫn còn một số vấn đề. Ví dụ, làm sạch bằng phun cát có thể dễ dàng gây hư hại cho bề mặt được xử lý, và làm sạch bằng hóa chất chống ăn mòn có thể gây ô nhiễm môi trường và ăn mòn bề mặt được làm sạch nếu không được xử lý đúng cách. Sự xuất hiện của công nghệ làm sạch bằng laser đại diện cho một cuộc cách mạng trong công nghệ làm sạch. Nó tận dụng mật độ năng lượng cao, độ chính xác cao và khả năng truyền năng lượng laser hiệu quả, và có những ưu điểm rõ rệt so với các công nghệ làm sạch truyền thống về hiệu quả làm sạch, độ chính xác làm sạch và vị trí làm sạch. Nó có thể tránh hiệu quả ô nhiễm môi trường do làm sạch bằng hóa chất chống ăn mòn và các công nghệ làm sạch khác gây ra, và sẽ không gây hư hại cho chất nền.

Cáinguyên lý làm sạch bằng laser

Vậy làm sạch bằng laser là gì? Làm sạch bằng laser là một quá trình sử dụng chùm tia laser để loại bỏ vật liệu khỏi bề mặt của chất rắn (hoặc đôi khi là chất lỏng). Ở cường độ laser thấp, vật liệu bị nung nóng bởi năng lượng laser hấp thụ và bay hơi hoặc thăng hoa. Ở cường độ laser cao, vật liệu thường biến thành plasma. Thông thường, làm sạch bằng laser đề cập đến việc loại bỏ vật liệu bằng laser xung, nhưng nếu cường độ laser đủ cao, có thể sử dụng chùm tia laser sóng liên tục để làm bong tróc vật liệu. Laser excimer ánh sáng cực tím sâu chủ yếu được sử dụng cho quá trình làm bong tróc quang học. Bước sóng laser được sử dụng cho quá trình làm bong tróc quang học xấp xỉ 200nm. Độ sâu hấp thụ năng lượng laser và lượng vật liệu bị loại bỏ bởi một xung laser phụ thuộc vào các đặc tính quang học của vật liệu, cũng như bước sóng laser và độ dài xung. Tổng khối lượng bị bong tróc khỏi mục tiêu bởi mỗi xung laser thường được gọi là tốc độ làm bong tróc. Tốc độ quét của chùm tia laser và phạm vi bao phủ của đường quét, v.v., sẽ ảnh hưởng đáng kể đến quá trình làm bong tróc.

Các loại công nghệ làm sạch bằng laser

1) Làm sạch khô bằng laser: Làm sạch khô bằng laser đề cập đến việc chiếu trực tiếp vật cần làm sạch bằng laser xung, khiến các chất bẩn trên bề mặt hoặc nền hấp thụ năng lượng và tăng nhiệt độ, dẫn đến sự giãn nở nhiệt hoặc rung động nhiệt của nền, từ đó tách rời hai phần. Phương pháp này có thể được chia thành hai trường hợp: một là các chất bẩn trên bề mặt hấp thụ năng lượng laser và giãn nở; trường hợp còn lại là nền hấp thụ năng lượng laser và tạo ra rung động nhiệt. Năm 1969, SM Bedair và cộng sự đã phát hiện ra rằng các phương pháp xử lý bề mặt khác nhau như xử lý nhiệt, ăn mòn hóa học và làm sạch bằng phun cát đều có những nhược điểm khác nhau. Đồng thời, mật độ năng lượng cao sau khi hội tụ laser có thể làm cho hiện tượng bay hơi bề mặt vật liệu trở nên khả thi, tạo điều kiện cho việc làm sạch bề mặt vật liệu không phá hủy. Thông qua các thí nghiệm, người ta thấy rằng việc sử dụng laser ruby ​​Q-switched với mật độ công suất 30 MW/cm2 có thể làm sạch các chất bẩn trên bề mặt vật liệu silicon mà không làm hỏng nền, và lần đầu tiên, việc làm sạch khô bằng laser các chất bẩn trên bề mặt vật liệu đã được thực hiện. Tốc độ tổng thể có thể được biểu thị bằng tốc độ tách rời các mảnh lớp màng như sau:

Trong công thức, ε biểu thị chỉ số năng lượng xung laser, h biểu thị chỉ số độ dày của lớp màng chất gây ô nhiễm, và E biểu thị chỉ số mô đun đàn hồi của lớp màng.

2) Làm sạch ướt bằng laser: Trước khi tiếp xúc với laser xung, một lớp màng lỏng phủ bề mặt được phủ lên. Dưới tác động của laser, nhiệt độ của lớp màng lỏng tăng nhanh và bay hơi. Tại thời điểm bay hơi, một sóng xung kích được tạo ra, tác động lên các hạt chất gây ô nhiễm và làm chúng bong ra khỏi chất nền. Phương pháp này yêu cầu chất nền và lớp màng lỏng không phản ứng với nhau, do đó hạn chế phạm vi vật liệu có thể áp dụng. Năm 1991, K. Imen và cộng sự đã giải quyết vấn đề các chất gây ô nhiễm dạng hạt siêu nhỏ còn sót lại trên bề mặt các tấm bán dẫn và vật liệu kim loại sau khi sử dụng các phương pháp làm sạch truyền thống, và nghiên cứu ứng dụng việc phủ một lớp màng lên bề mặt chất nền có khả năng hấp thụ năng lượng laser hiệu quả. Sau đó, sử dụng laser CO2, lớp màng hấp thụ năng lượng laser và nhanh chóng tăng nhiệt độ và sôi, tạo ra sự bay hơi bùng nổ, loại bỏ các chất gây ô nhiễm khỏi bề mặt chất nền. Phương pháp làm sạch này được gọi là làm sạch ướt bằng laser.

3) Làm sạch bằng sóng xung kích plasma laser: Sóng xung kích plasma laser được tạo ra khi laser chiếu vào môi trường không khí và tạo thành sóng xung kích plasma hình cầu. Sóng xung kích tác động lên bề mặt của vật cần làm sạch và giải phóng năng lượng để loại bỏ các chất gây ô nhiễm. Laser không tác động lên chất nền, do đó không gây hư hại cho chất nền. Công nghệ làm sạch bằng sóng xung kích plasma laser hiện nay có thể làm sạch các hạt có đường kính vài chục nanomet, và không có hạn chế nào về bước sóng laser. Nguyên lý vật lý của việc làm sạch bằng plasma có thể được tóm tắt như sau: a) Tia laser phát ra được hấp thụ bởi lớp ô nhiễm trên bề mặt được xử lý. b) Lượng hấp thụ lớn tạo thành plasma giãn nở nhanh (khí không ổn định bị ion hóa cao) và tạo ra sóng xung kích. c) Sóng xung kích làm cho các chất gây ô nhiễm bị phân mảnh và loại bỏ. d) Độ rộng xung của xung ánh sáng phải đủ ngắn để tránh tích tụ nhiệt có thể làm hỏng bề mặt được xử lý. e) Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng khi có oxit trên bề mặt kim loại, plasma sẽ được tạo ra trên bề mặt kim loại. Plasma chỉ được tạo ra khi mật độ năng lượng vượt quá ngưỡng, ngưỡng này phụ thuộc vào lớp ô nhiễm hoặc lớp oxit được loại bỏ. Hiệu ứng ngưỡng này rất quan trọng để làm sạch hiệu quả đồng thời đảm bảo an toàn cho vật liệu nền. Sự xuất hiện của plasma cũng có một ngưỡng thứ hai. Nếu mật độ năng lượng vượt quá ngưỡng này, vật liệu nền sẽ bị hư hại. Để thực hiện việc làm sạch hiệu quả đồng thời đảm bảo an toàn cho vật liệu nền, các thông số laser phải được điều chỉnh theo tình huống để đảm bảo mật độ năng lượng của xung ánh sáng nằm chính xác giữa hai ngưỡng này. Năm 2001, JM Lee và cộng sự đã tận dụng đặc tính của laser công suất cao tạo ra sóng xung kích plasma khi được hội tụ, và sử dụng laser xung với mật độ năng lượng 2,0 J/cm2 (cao hơn nhiều so với ngưỡng hư hại của tấm silicon) để chiếu song song với tấm silicon, làm sạch thành công các hạt vonfram 1 μm bám trên bề mặt tấm silicon. Phương pháp làm sạch này được gọi là làm sạch bằng sóng xung kích plasma laser, và nói một cách chính xác, làm sạch bằng sóng xung kích plasma laser là một loại làm sạch laser khô. Mục đích ban đầu của ba công nghệ làm sạch bằng laser này là làm sạch các hạt nhỏ li ti trên bề mặt các tấm bán dẫn. Có thể nói rằng công nghệ làm sạch bằng laser ra đời cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn. Tuy nhiên, công nghệ làm sạch bằng laser đã liên tục được ứng dụng trong các lĩnh vực khác, chẳng hạn như làm sạch khuôn lốp xe, loại bỏ sơn trên vỏ máy bay và phục hồi bề mặt hiện vật. Khi chiếu tia laser, khí trơ có thể được thổi lên bề mặt chất nền. Khi các chất gây ô nhiễm bị bong ra khỏi bề mặt, chúng sẽ ngay lập tức được thổi bay khỏi bề mặt bởi khí để tránh gây ô nhiễm trở lại và quá trình oxy hóa bề mặt.

Cáiứng dụng công nghệ làm sạch bằng laser

1) Trong lĩnh vực bán dẫn, việc làm sạch các tấm bán dẫn và chất nền quang học đều trải qua cùng một quy trình, đó là gia công nguyên liệu thô thành các hình dạng cần thiết thông qua cắt, mài, v.v. Trong quá trình này, các chất gây ô nhiễm dạng hạt được đưa vào, rất khó loại bỏ và gây ra các vấn đề ô nhiễm lặp đi lặp lại nghiêm trọng. Các chất gây ô nhiễm trên bề mặt tấm bán dẫn có thể ảnh hưởng đến chất lượng in mạch in, do đó làm giảm tuổi thọ của chip bán dẫn. Các chất gây ô nhiễm trên bề mặt chất nền quang học có thể ảnh hưởng đến chất lượng của các thiết bị và lớp phủ quang học, và có thể dẫn đến sự phân bố năng lượng không đồng đều, làm giảm tuổi thọ. Vì phương pháp làm sạch khô bằng laser dễ gây hư hại bề mặt chất nền, nên phương pháp này ít được sử dụng trong việc làm sạch các tấm bán dẫn và chất nền quang học. Phương pháp làm sạch ướt bằng laser và làm sạch bằng sóng xung kích plasma laser có nhiều ứng dụng thành công hơn trong lĩnh vực này. Xu Chuanyi và cộng sự đã nghiên cứu việc lắng đọng một lớp sơn từ tính đặc biệt ở quy mô vi mô trên bề mặt chất nền quang học siêu mịn như một lớp màng điện môi, sau đó sử dụng laser xung để làm sạch. Hiệu quả làm sạch khá tốt, mặc dù số lượng hạt tạp chất trên mỗi đơn vị diện tích tăng lên, nhưng kích thước và diện tích bao phủ của các hạt tạp chất đã giảm đáng kể. Phương pháp này có thể làm sạch hiệu quả các hạt tạp chất kích thước vi mô trên bề mặt chất nền quang học siêu mịn. Zhang Ping đã nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng cách làm việc và năng lượng laser đến hiệu quả làm sạch các chất gây ô nhiễm có kích thước hạt khác nhau trong công nghệ làm sạch plasma laser. Kết quả thực nghiệm cho thấy đối với các hạt polystyrene trên chất nền thủy tinh dẫn điện, khoảng cách làm việc tối ưu với năng lượng 240 mJ là 1,90 mm. Khi năng lượng laser tăng lên, hiệu quả làm sạch được cải thiện đáng kể, và các chất gây ô nhiễm có kích thước hạt lớn dễ làm sạch hơn.

2) Trong lĩnh vực vật liệu kim loại, việc làm sạch bề mặt vật liệu kim loại khác với việc làm sạch các tấm bán dẫn và chất nền quang học. Các chất gây ô nhiễm cần làm sạch thuộc loại vĩ mô. Các chất gây ô nhiễm trên bề mặt vật liệu kim loại chủ yếu bao gồm lớp oxit (lớp gỉ), lớp sơn, lớp phủ và các chất bám dính khác, và có thể được phân loại thành chất gây ô nhiễm hữu cơ (như lớp sơn, lớp phủ) và chất gây ô nhiễm vô cơ (như lớp gỉ). Việc làm sạch các chất gây ô nhiễm trên bề mặt vật liệu kim loại chủ yếu nhằm đáp ứng các yêu cầu của quá trình gia công hoặc sử dụng tiếp theo, chẳng hạn như loại bỏ lớp oxit dày khoảng 10 μm khỏi bề mặt các bộ phận hợp kim titan trước khi hàn, loại bỏ lớp sơn phủ ban đầu trên bề mặt vỏ máy bay trong quá trình sửa chữa lớn để tạo điều kiện sơn lại, và thường xuyên làm sạch các hạt cao su bám vào khuôn lốp cao su để đảm bảo độ sạch của bề mặt cũng như chất lượng và tuổi thọ của khuôn. Ngưỡng hư hại của vật liệu kim loại cao hơn ngưỡng làm sạch bằng laser của các chất gây ô nhiễm trên bề mặt. Bằng cách lựa chọn laser có công suất phù hợp, có thể đạt được hiệu quả làm sạch tốt hơn. Công nghệ này đã được ứng dụng thành công trong một số lĩnh vực. Wang Lihua và cộng sự. Nghiên cứu này đã khảo sát ứng dụng công nghệ làm sạch bằng laser trong xử lý lớp oxit trên bề mặt hợp kim nhôm và hợp kim titan. Kết quả nghiên cứu cho thấy, sử dụng laser có mật độ năng lượng 5,1 J/cm2 có thể làm sạch lớp oxit trên bề mặt hợp kim nhôm A5083-111H trong khi vẫn duy trì chất lượng tốt của vật liệu nền, và sử dụng laser xung với công suất trung bình 100 W theo phương pháp quét có thể làm sạch hiệu quả lớp oxit trên bề mặt hợp kim titan và cải thiện độ cứng của bề mặt vật liệu. Các công ty trong nước như Ruike Laser, Daqu Laser và Shenzhen Chuangxin đã phát triển thiết bị làm sạch bằng laser được sử dụng rộng rãi để làm sạch khuôn cao su như lốp xe, lớp gỉ kim loại và vết dầu trên bề mặt các bộ phận.

3) Trong lĩnh vực di vật văn hóa, việc làm sạch các di vật bằng kim loại, đá và bề mặt giấy là cần thiết để loại bỏ các chất gây ô nhiễm như bụi bẩn và vết mực xuất hiện trên bề mặt do lịch sử lâu đời của chúng. Những chất gây ô nhiễm này cần được loại bỏ để phục hồi di vật. Đối với các tác phẩm trên giấy như thư pháp và tranh vẽ, khi được bảo quản không đúng cách, nấm mốc sẽ phát triển trên bề mặt và tạo thành các vết. Những vết này ảnh hưởng nghiêm trọng đến vẻ ngoài ban đầu của giấy, đặc biệt là đối với giấy có giá trị văn hóa hoặc lịch sử cao, điều này sẽ ảnh hưởng đến việc thưởng thức và bảo vệ chúng. Zhao Ying và cộng sự đã nghiên cứu tính khả thi của việc sử dụng tia laser cực tím để làm sạch các vết nấm mốc trên cuộn giấy. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng việc sử dụng tia laser có mật độ năng lượng 3,2 J/mm2 để quét một lần có thể loại bỏ các vết mỏng, và quét hai lần có thể loại bỏ hoàn toàn các vết. Tuy nhiên, nếu năng lượng laser sử dụng quá cao, nó sẽ làm hỏng cuộn giấy trong quá trình loại bỏ các vết. Zhang Xiaotong và cộng sự đã phục hồi thành công một di vật bằng đồng mạ vàng bằng phương pháp màng lỏng chiếu xạ dọc bằng laser. Zhang Licheng và cộng sự đã sử dụng công nghệ làm sạch bằng laser trong việc phục hồi một tượng gốm vẽ hình phụ nữ thời nhà Hán. Yuan Xiaodong và cộng sự đã nghiên cứu tác động của công nghệ làm sạch bằng laser trong việc làm sạch các di vật bằng đá và so sánh mức độ hư hại của thân đá sa thạch trước và sau khi làm sạch, cũng như hiệu quả làm sạch các vết mực, ô nhiễm khói và ô nhiễm sơn.

Kết luận: Công nghệ làm sạch bằng laser là một kỹ thuật tương đối tiên tiến, với triển vọng nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác cao như hàng không vũ trụ, thiết bị quân sự, và kỹ thuật điện tử và điện. Hiện nay, công nghệ làm sạch bằng laser đã được ứng dụng thành công trong một số lĩnh vực, nhờ hiệu quả cao, thân thiện với môi trường và khả năng làm sạch tuyệt vời. Các lĩnh vực ứng dụng của nó đang dần được mở rộng. Sự phát triển của công nghệ làm sạch bằng laser không chỉ được ứng dụng một cách hoàn thiện trong các lĩnh vực như loại bỏ sơn và rỉ sét, mà trong những năm gần đây còn có báo cáo về việc sử dụng laser để làm sạch lớp oxit trên dây kim loại. Việc mở rộng các lĩnh vực ứng dụng hiện có và phát triển các lĩnh vực mới là nền tảng của sự phát triển công nghệ làm sạch bằng laser. Nghiên cứu và phát triển thiết bị làm sạch bằng laser mới sẽ cho thấy sự khác biệt, dẫn đến nhiều chức năng khác nhau. Trong tương lai, việc đạt được khả năng làm sạch bằng laser hoàn toàn tự động thông qua sự hợp tác với robot công nghiệp cũng là điều khả thi. Xu hướng phát triển của công nghệ làm sạch bằng laser như sau:

(1) Tăng cường nghiên cứu về lý thuyết làm sạch bằng laser để hướng dẫn ứng dụng công nghệ làm sạch bằng laser. Sau khi xem xét một lượng lớn tài liệu, nhận thấy rằng không có hệ thống lý thuyết hoàn chỉnh nào hỗ trợ công nghệ làm sạch bằng laser, và hầu hết các nghiên cứu đều dựa trên thí nghiệm. Việc thiết lập một hệ thống lý thuyết làm sạch bằng laser là nền tảng cho sự phát triển và hoàn thiện hơn nữa của công nghệ làm sạch bằng laser.

(2) Mở rộng các lĩnh vực ứng dụng hiện có và phát triển các lĩnh vực ứng dụng mới. Công nghệ làm sạch bằng laser đã được ứng dụng thành công trong các lĩnh vực như tẩy sơn và tẩy rỉ sét, và trong những năm gần đây đã có báo cáo về việc sử dụng laser để làm sạch lớp oxit trên dây kim loại. Việc mở rộng các lĩnh vực ứng dụng hiện có và phát triển các lĩnh vực mới là mảnh đất màu mỡ cho sự phát triển của công nghệ làm sạch bằng laser.

(3) Nghiên cứu và phát triển thiết bị làm sạch bằng laser mới. Việc phát triển thiết bị làm sạch bằng laser mới sẽ có sự khác biệt. Một loại là thiết bị có tính phổ quát nhất định, bao phủ nhiều lĩnh vực ứng dụng, chẳng hạn như một thiết bị có thể đồng thời thực hiện chức năng loại bỏ sơn và loại bỏ rỉ sét. Loại khác là thiết bị chuyên dụng cho các nhu cầu cụ thể, chẳng hạn như thiết kế các phụ kiện hoặc sợi quang cụ thể để thực hiện chức năng làm sạch chất gây ô nhiễm trong không gian nhỏ. Thông qua sự hợp tác với robot công nghiệp, làm sạch bằng laser hoàn toàn tự động cũng là một hướng ứng dụng phổ biến.