激光清洗技术在石材行业的原理及应用

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1、激光清洗技术在石材行业的原理及应用    激光清洗技术主要利用激光束来高速有效地清除待清洗对象表面的附着物，它省时、省力、节水，而且安全可靠，适用面广，易于自动控制。特别对于石雕、石刻、各种边角等石面精细结构，以及年代久远的石质文物等高档石材的清洗，激光清洗技术的优势是许多传统清洗工艺所无法比拟的。http://www.xhylaser.com.cn/因此可以说激光清洗是清洗技术的一大进步，推广应用激光清洗技术必将使石材清洗业和文物修复业如虎添翼。    一.激光清洗的基本原理：    污物和石材表面之间的结合力主要为物理作用力和弱化学作用力。弱化学作用力包括氢

2、键和电荷转移形成的键能等，物理作用力包括范德华力(包括静电、诱导和色散作用)以及毛细作用力等。石材比其它硬表面材料更难清洗的原因是由于天然石材存在的大量微孑L隙，微孔隙的毛细作用力不仅使污物与石材之间的各种结合力得到了增强，同时其包裹作用也使各种清洗的外力难以发挥作用。    激光是一种单色性和方向性都很好的光辐射。通过透镜组合可以聚焦光束，把光束集中到一个很小的范围或区域中。激光光束至少可以产生三个方面的作用：    (1)会在固体表面产生力学共振现象，使表面污垢层或凝结物碎裂脱落。    (2)会使表面污垢层受热膨胀，从而克服基体物质对污垢粒子的吸附力而脱离

3、物体表面。    (3)在瞬间使污垢分子蒸发、气化或分解。    激光清洗技术正是利用①激光脉冲的振动;②粒子的热膨胀;③分子的光分解或相变三种作用或它们的联合作用克服污物的基体物质表面之间的结合力，使其脱离物体表面而达到清洗的目的。根据被清洗基体物质与污物的光学特性分析，又可将激光清洗机理分为两大类：    一类是利用基体物质与表面附着的污垢对某一波长激光能量的吸收系数的差别，使激光能量充分被附着的污物所吸收，从而受热膨胀或汽化挥发，并被汽化形成的蒸气流带动脱离基体物质而达到清洗的目的。其要求是基体物质对激光能量的吸收系数要小，这样基体物质才不至于被损伤。因此

4、实现安全、高效清洗的关键是选择合适的激光波长并控制的能量密度。    另一类是对于基体物质与表面附着物对激光束的吸收系数差别不大，或者表面附着物受热后会产生有毒物质等情况的清洗，通常是利用较高频率和功率的脉冲激光冲击被清洗的表面，使部分光束转换成声波，声波在冲击中下层硬表面以后返回，其返回的部分与激光产生的入射声波发生干涉，从而产生高能共振波，使垢层发生微小爆裂，造成粉碎，易于脱离基体物质表面。    对于石材表面污垢的清洗，以上机理往往组合运用。通常根据被处理石材和污垢的情况调节光束光脉冲的频率(每秒0.5到30个脉冲)和振幅(8到25ns)，使污垢物质适当吸

5、收光能。脉冲激光不断重复的频率的冲击作用可使石材表面和微孔隙中的污垢松动，当激光的冲击力大于基体对污垢粒子的吸附力时，污垢微粒便脱离基体达到清洗目的。当激光光子能量大于(附着层)污垢分子的键能时，激光的光分解、光剥离作用相继发挥效应，如KrF准分子激光光子能量为SeV，大于有机污物O-O、H-H、O-H、C-C、C-H和N-H等化学键的键能，激光的作用可以破坏部分化学键，分解有机物，从而可清洗有机油污。当激光光束能量密度进一步提高时，一些无机污垢，如含K、Na的盐以及由有机污垢光分解后产生的无机物可被激光加热膨胀，产生热剥离(即光剥离)而脱离基体表面。为了充分利

6、用激光的各种作用，加强激光的清洗效果，往往事先在被清洗基体的表面人为地涂上一些水或水与甲醇或乙醇的混合液体。当激光照射于液膜上时，液膜因急剧受热，会产生爆炸性汽化。爆炸的冲击使基体表面的污垢松散并随冲击波飞离基体的表面，达到去污的目的。在这种方法中尽管也有污垢粒子的振动和粒子的热膨胀，但爆炸性冲击波的作用是主要的，此种方法也称为：激光+液膜方法。覆盖于基体表面的液膜的厚度一般为l0Um。    二.激光清洗的前景展望    国际上，激光清洗技术已成为一项较为成热的石质材料和石质文物的清洗技术。而在我国，激光清洗，尤其是对于石质材料和石质文物的清洗才刚刚起步。由于

7、激光清洗技术具有传统清洗方法无法比拟的优点，将有广阔的发展前景，我们希望有兴趣的厂家或单位与我们一道积极进行技术研究和设备开发，激光清洗技术必将很快在我国石质材料和石质文物的清洗业中发挥重要作用，形成新的经济增长点.    三.激光清洗的方法和实例    从方法上分析，激光清洗方法有4种：    (1)激光干洗法，即采用脉冲激光直接辐射去污。    (2)激光+液膜方法，即首先沉积一层液膜于基体表面，然后用激光辐射去污。    (3)激光+惰性气体的方法，即在激光辐射的同时，用惰性气体吹向基体表面，当污物从表面剥离后会立即被气体吹离表面，以避免表面再次污染和氧化

8、。    (4)运用激光