頓磊：激光除銹的物理模型

激光除銹技術憑借無接觸、無損傷、環保高效等優勢，已廣泛應用于工業制造、文物修復、航空航天等多個領域。這一技術的精準落地，離不開背后各類物理模型的支撐 —— 它們如同 “隱形工程師”，通過模擬激光與物質的相互作用規律，為實際清洗工藝提供科學指導。從簡單的一維熱傳導分析到復雜的多層界面模型，激光除銹物理模型的發展始終圍繞 “精準控制、減少損傷、貼近實際” 三大核心目標不斷迭代。

一、基礎模型：從一維分析到雙層互動

激光除銹物理模型的發展始于對核心物理現象的簡化分析，早期模型雖結構簡單，但為后續研究奠定了理論基礎。

2007 年，南開大學宋峰團隊提出的一維熱傳導模型，是激光除漆領域的經典基礎模型。該模型將納秒級短脈沖激光除漆過程簡化為一維熱傳導問題，通過計算熱膨脹產生的熱應力與漆層黏附力的平衡關系，明確了激光除銹的閾值條件。這一模型的核心價值在于實現了 “精準選參”—— 既能保證漆層有效去除，又能避免基底受損，為工業除漆提供了直接的理論依據。

在此基礎上，2008 年田彬等人針對干式激光除銹的理論缺陷，提出雙層熱彈性振動模型。與一維模型相比，該模型的關鍵突破在于考慮了污物與基底的熱彈性振動相互作用，通過解析溫度和位移的時空分布，精準計算清洗閾值與損傷閾值。為了簡化計算，模型做出了四點合理假設：激光為均勻光束、僅考慮 Z 方向一維熱傳導、污物與基底絕熱、材料各向同性。這種 “簡化 + 聚焦核心互動” 的思路，讓模型既能模擬振動效應，又具備實際計算可行性，成為干式激光除銹的重要理論工具。

二、進階模型：多層結構與時空特性的精準還原

隨著激光除銹應用場景的復雜化，簡單模型難以覆蓋多層覆層、非均勻光束等實際情況，更貼近現實的進階模型應運而生。

南開大學施曙東團隊提出的三層吸收界面的燒蝕振動模型，解決了傳統模型 “結構簡化脫離實際” 的問題。其核心創新體現在三個方面：一是引入 “界面層”，考慮清洗層、基底層與中間界面的熱致應變相互作用，讓層間關系更符合實際；二是還原激光脈沖的時空分布，適配高斯光束等實際光源，真實反映激光特性對清洗結果的影響；三是適用范圍廣，無材料參數限制，可用于大面積薄膜覆層場景，實用性極強。這一模型的出現，讓激光除銹的模擬從 “理想狀態” 走向 “實際場景”，為復雜覆層清洗提供了精準指導。

三、專項模型：聚焦不同物理機制的細分探索

除了通用模型，科研人員還針對激光除銹的特定物理機制（如燒蝕汽化、應力作用、熱力耦合等），開發了各類專項模型，覆蓋不同應用需求。

1. 溫度與燒蝕模型：聚焦熱效應的精準控制

這類模型以激光誘有道的熱效應為核心，重點解決 “材料精準去除” 問題。2006 年，法國原子能委員會 Francois Brygo 等人建立的高重頻脈沖激光除銹模型，通過分析激光重復頻率、脈沖寬度與材料燒蝕汽化的關系，實現了材料的精確去除，有效避免基材損傷。2012 年四川大學鮮輝團隊則基于電磁場理論，建模激光在油漆中的傳輸過程，明確了不同能量密度下的表面溫度分布，為油漆清洗的參數優化提供了依據。此外，研究還發現激光波長、脈寬對燒蝕機制影響顯著 —— 如碳纖維增強塑料（CFRP）在 355nm 和 1064nm 激光照射下，會呈現不同的燒蝕效果。

2. 力模型：以應力作用為核心的顆粒去除

針對微小顆粒的清洗，力模型重點分析激光誘有道的應力與顆粒黏附力的平衡關系。1997 年，新加坡國立大學 Lu 等人基于范德瓦耳斯力和熱擴散理論，建立了計算最佳清洗工藝與脈沖數閾值的模型；2005 年 Hsin-Tsun Hsu 等人提出的表面應力波模型，證實了激光功率密度的提高可增強表面應力波加速度，助力顆粒去除；江海麗團隊的激光等離子體沖擊波模型，則考慮了沖擊波與顆粒相互作用中的彈性能，通過優化激光能量和傳播距離，實現了微觀尺度的大面積清潔。這些模型為精密器件表面的顆粒清洗提供了科學支撐。

3. 熱力模型：耦合熱效應與力學作用

熱力模型綜合考慮熱傳導與應力變化，更全面地模擬激光除銹過程。Lee 等人通過 Nd:YAG 激光器的實驗與理論分析，發現較短激光波長能提升能量吸收效率，產生更大熱彈性力，為波長選擇提供了依據；Lu 等人的模型則同時納入黏著力（范德瓦耳斯力）與清潔力（熱膨脹力），通過石英襯底去鋁顆粒的實驗驗證了模型的準確性，實現了清洗條件與閾值的精準預測。

4. 有限元模型：借助軟件實現復雜過程可視化

隨著計算機技術的發展，有限元模型成為激光除銹模擬的重要工具，尤其適用于復雜材料（如復合材料）的清洗分析。李雅娣團隊利用 ANSYS 軟件，建立了復合材料動邊界退移燒蝕模型，實現了燒蝕與熱傳導耦合計算；高遼遠等人通過 COMSOL Multiphysics 軟件，構建了納秒脈沖激光除銹鋁合金漆層的有限元模型，可視化呈現溫度場、位移場的動態變化，并明確了掃描速度、光斑搭接率等參數對清洗質量的影響規律。這類模型的優勢在于 “低成本、高效率”—— 通過仿真探索參數影響，再結合實驗驗證，大幅降低了工藝優化的成本。

四、模型發展的核心趨勢：從簡化到精準，從單一到綜合

回顧激光除銹物理模型的發展歷程，不難發現其核心趨勢是 “貼近實際、多維耦合、廣泛適用”。早期模型通過簡化假設搭建基礎框架，解決了 “能否清洗” 的問題；進階模型引入多層結構、時空分布等實際因素，解決了 “如何精準清洗” 的問題；專項模型與有限元模型則針對不同場景，實現了 “個性化優化”。這些模型的迭代，不僅推動了激光除銹技術的工藝升級，更拓展了其應用邊界 —— 從簡單除漆到精密器件清洗，從金屬材料到復合材料，激光除銹的精準性與適用性不斷提升。

對于行業應用而言，物理模型的價值在于 “用理論指導實踐”—— 通過模擬計算提前優化參數，減少實驗試錯成本，同時避免基材損傷，提升清洗效率與質量。未來，隨著激光技術的發展（如超短脈沖激光、高功率激光的應用），物理模型將進一步納入更多復雜因素（如材料非線性特性、多場耦合效應），持續為激光除銹技術的創新提供科學支撐。