激光清洗技术的应用及发展趋势研究

��发布时间：2020-12-11 ��浏览次数：5876次

 激光清洗技术的应用及发展趋势研究

 

摘要 ：激光清洗技术是激光技术在工程领域的一种成功应用，其基本原理是利用激光能量密度高的特点，使激光与工件基底上附着的污染物相互作用，以瞬间受热膨胀、熔化、气体挥发等形式与工件基底分离。激光清洗技术具有高效、环保、节能等特点，已成功应用于轮胎模具清洗、飞机机体除漆、文物修复等领域。分析总结了激光清洗技术的应用现状，并对激光清洗技术的发展趋势进行研究。

 

0 引言

传统清洗技术包括机械摩擦清洗（喷砂清洗、高压水枪清洗等）、化学腐蚀清洗、超声波清洗、干冰清洗等，这些清洗技术已经广泛应用于各行各业，如喷砂清洗通过选择不同硬度的磨料可以清洗金属绣斑、金属表面毛刺、电路板表面三防漆等，化学腐蚀清洗技术广泛用于设备表面油垢清洗、锅炉水垢清洗、输油管路清洗等领域。这些清洗技术已发展成熟，但仍然存在一些问题，如喷砂清洗容易对处理表面造成损伤，化学腐蚀清洗会造成环境污染、处理不当时导致清理表面腐蚀。激光清洗技术的出现是对清洗技术的一次革命。激光清洗技术利用了激光的能量密度高、精度高、可高效传导等优点，较传统清洗技术在清洗效率、清洗精度、清理位置等方面有明显优势，可有效避免化学腐蚀清洗等清洗技术会造成的环境污染，且不会对基底产生损伤。

 

本文介绍了激光清洗技术的发展历史，梳理了激光清洗技术的应用现状，并研究了激光清洗技术的发展方向。

 

1 激光清洗技术的发展历史

 

1969 年，S.M.Bedair 等人发现包括热处理、化学腐蚀、喷砂清洗等表面处理方法均存在不同的缺点，同时，利用激光聚焦后的高能量密度可以使材料表面蒸发的现象存在无损清洗材料表面的可能，通过实验发现，使用功率密度为30 MW/cm2 的红宝石调Q 激光可以实现不损伤基底的情况清洗硅材表面污染物，首次实现了利用激光清洗材料表面污染物，即激光干式清洗。1991 年，K.Imen 等人针对使用传统清洗方法处理后半导体晶圆、金属材料等表面有亚微米颗粒污染物残留的问题，研究了在材料基体表面涂覆一种可高效吸收激光的薄膜，随后使用CO2 激光器进行照射，薄膜吸收激光能量后温度迅速升高并沸腾，产生爆炸性汽化，将基体表面的污染物带走。这种清洗方式即为激光湿式清洗。

2001 年，J.M.Lee 等人利用高功率激光聚焦时会产生等离子体冲击波的特点，使用能量密度为2.0 J/cm2（远大于硅片的损伤阈值）的脉冲激光平行于硅片进行照射，成功清洗了吸附在硅片表面的1 μm 钨颗粒。这种清洗方式即为激光等离子体冲击波清洗，严格意义上说，激光等离子体冲击波清洗是干式激光清洗的一种。上述3 种激光清洗技术最初的的目均为清洗半导体晶圆表面的微小颗粒，可以说激光清洗技术是随着半导体技术的发展而出现的。但是激光清洗技术不断应用于其他领域，如轮胎模具清洗、飞机蒙皮除漆、文物表面修复等。

 

2 激光清洗技术的应用

 

2.1 半导体晶圆及光学基片的清洗

 

半导体晶圆和光学基片在加工过程中存在相同的工艺，即将原材料以切割、磨削等形式加工为需要的形状。在这个过程中会引入颗粒状污染物，这些污染物难以清除且重复污染问题严重。半导体晶圆表面的污染物会影响电路板印刷的质量，进而缩短半导体芯片的使用寿命。光学基片表面的污染物会影响光学器件及镀膜的质量，可能会导致能量不均匀，缩短使用寿命。由于激光干式清洗容易造成基体表面损伤，这种清洗方式在半导体晶圆与光学基片的清洗中应用较少，激光湿式清洗和激光等离子体冲击波清洗在该领域中有着较多成功的应用。徐传义等研究了在超光滑光学基片表面沉积微米级特制磁漆作为介质膜，随后使用脉冲激光

器进行清洗，清洗效果较好，虽然其单位面积的杂质颗粒物增多，但是杂质颗粒尺寸和覆盖面积均明显下降，该方法可以有效清洗超光滑光学基片表面的微米级污染物颗粒。张平研究了激光等离子体清洗技术中工作距离和激光能量对不同粒径污染物颗粒清洗效果的影响，试验结果表明对于导电玻璃基片上的聚苯乙烯颗粒，能量为240 mJ 激光的最佳工作距离为1.90 mm，随着激光能量的增加清理效果明显增加，且大颗粒污染物更容易清理。

 

2.2 金属材料表面的清理

 

金属材料表面的清理相较于半导体晶圆及光学基片的清洗而言，清理的污染物属于宏观范畴。金属材料表面的污染物主要有氧化层（锈蚀层）、漆层、涂层、其

他附着物等，按污染物类型可分为有机污染物（如漆层、涂层）和无机污染物（如锈蚀层）。金属材料表面污染物的清理主要为了满足后续加工或使用要求，如钛合金零件焊接前需清除材料表面约10 μm 厚的氧化层，飞机大修时需清除蒙皮表面原有的油漆涂层以便于重新喷涂，橡胶轮胎模具需定期清理其附着的橡胶颗粒以保证表面的清洁度进而保证生产轮胎的质量及模具的寿命。

金属材料的损伤阈值较其表面污染物的激光清洗阈值要高，通过选择合适功率激光即可达到较好的清洗效果，在一些领域已成熟应用。王利华等人研究了激光

清洗技术在处理铝合金和钛合金表面氧化皮中的应用，研究结果表明使用能量密度为5.1 J/cm2 的激光可在清理A5083-111H 铝合金表面氧化层的同时保持基底的良好质量，使用平均功率为100 W 的脉冲激光以扫描的方式可有效清洗钛合金表面的氧化层并提高材料表面硬度。国内锐科激光、大族激光、深圳创鑫等公司研制的激光清洗设备已广泛应用于轮胎等橡胶模具、金属锈蚀层、零部件表面油污等清洗。

 

2.3 文物和纸张表面的清理

 

金属文物和石质文物等由于历史悠久，在其表面会出现如灰垢、墨迹等污染物，需将这些污染物进行清理以复原文物。书画等纸张在存储不当时其表面会生长霉菌并形成菌斑，这些菌斑严重影响了纸张的原貌，尤其是对于文化或历史价值高的纸张，会影响其欣赏和保护。赵莹等人研究了紫外激光清洗宣纸上霉菌菌斑的可行性，试验结果显示，使用能量密度为3.2 J/mm2 的激光扫描1 次可清除薄的菌斑，扫描2 次可将菌斑清除干净，但是如果使用的激光能量过高，会在清除菌斑的同时损坏宣纸。张晓彤等人采用激光垂直照射液膜法成功修复了一件鎏金青铜文物。张力程等在一件汉代彩绘女陶俑的修复中使用了激光清洗技术。袁晓东等人研究了激光清洗技术在石质文物清洗中应用的效果，分别对比了清洗前后砂岩本体的损伤及墨迹清洗、烟熏污染清洗、油漆污染清洗的效果。

 

3 结语

 

激光清洗技术已经在一些领域成熟应用，得益于其高效、环保、清洗效果好等特点，其应用领域也在逐渐拓宽。

激光清洗技术的发展趋势如下：

 

（1）加强激光清洗理论研究，指导激光清洗技术应用。查阅大量文献发现，激光清洗技术没有成熟的理论体系支撑，多数研究都是基于试验开展的。建立激光清洗理论体系是激光清洗技术进一步发展成熟的基础。

（2）现有领域的拓展应用及新领域的应用。激光清洗技术已经在除漆、除锈等领域成熟应用，近些年又有利用激光清洗金属丝表面氧化层的报道。现有领域的拓展应用和新领域的应用是激光清洗技术发展的沃土。

（3）新型激光清洗设备的研制开发。新型激光清洗设备的开发会出现分化，一类是覆盖多个应用领域具有一定通用性的设备，如一台设备可以同时实现除漆和除锈功能，另一类是针对特定需求的专用设备，如为了清洗小空间内部的污染物可能需要设计特定工装或者光纤实现功能。通过与工业机器人配合实现全自动激光清洗也是一个热门的应用方向。激光清洗技术是一种较为先进的技术，在航空航天、军工装备、电子电气等高精尖领域具有广阔的研究和应用前景。


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