頓磊：激光除銹中 “光” 去污的科學原理

當激光束精準照射到被污染的物體表面，附著物便在無形之力作用下脫離基體 —— 這一看似神奇的激光除銹技術(shù)，背后藏著嚴謹?shù)目茖W理論支撐。盡管學界對其機理仍有部分分歧，但大量實驗已證實，激光除銹本質(zhì)是多種物理化學過程的協(xié)同作用，而核心基礎(chǔ)理論主要圍繞 “附著力” 與 “除銹力” 的平衡展開，最終通過不同模型揭示除銹的科學邏輯。

一、核心前提：表面附著物的 “附著力” 之謎

激光除銹的本質(zhì)，是讓除銹力克服附著物與基體之間的 “附著力”。這種附著力的類型與大小，會隨附著物形態(tài)、尺寸及表面環(huán)境變化，主要分為兩種情況：

? 干式環(huán)境下的附著力：對于微米級的細小顆粒，其與基體的結(jié)合力以范德瓦耳斯力為主 —— 這種微觀世界的引力甚至會超過萬有引力，讓小顆粒牢牢 “粘” 在表面；而當顆粒尺寸大于 50μm 時，靜電力則成為主導力量。科學家通過公式可量化這種附著力，關(guān)鍵參數(shù)包括顆粒半徑、材料特性常數(shù)、原子間距等，其中原子間距通常約為 0.4nm，是微觀層面的重要參考。 ? 有液體薄膜的附著力：若物體表面存在液體薄膜（即蒸氣激光除銹場景），附著力會變得更復雜 —— 除了范德瓦耳斯力，液體的表面張力也會參與其中。此時附著力的計算需要納入表面張力參數(shù)，這也為后續(xù) “液體輔助增強除銹” 提供了理論依據(jù)。

二、三大基礎(chǔ)模型：解讀激光如何產(chǎn)生 “除銹力”

除銹力是激光賦予的 “去污動力”，不同除銹場景對應(yīng)不同的力產(chǎn)生機制，學界主要通過三大基礎(chǔ)模型進行解釋，各有側(cè)重且相互補充：

（一）干式激光除銹：加速度模型

該模型是干式除銹的經(jīng)典理論之一，核心邏輯簡單直接：附著物吸收激光能量后會發(fā)生瞬時熱膨脹，進而獲得足夠的加速度，最終掙脫基體的束縛。其關(guān)鍵在于建立了激光能量密度與除銹效果的定量關(guān)系 —— 通過計算附著物的溫升、熱脹位移，可推導出脫離加速度，再結(jié)合附著物質(zhì)量，就能得到所需的除銹力。盡管模型做了不少簡化假設(shè)，但它首次明確了 “能量與效果” 的量化關(guān)聯(lián)，為激光除銹設(shè)備的參數(shù)設(shè)計提供了基礎(chǔ)參考。

（二）干式激光除銹：位移模型

如果說加速度模型關(guān)注 “速度”，位移模型則聚焦 “應(yīng)力與應(yīng)變”。激光照射時，附著物與基體的溫度會急劇升高且分布不均，這種溫差會引發(fā)熱應(yīng)力；而熱應(yīng)力會導致附著物產(chǎn)生位移應(yīng)變，當應(yīng)變積累到一定程度，就可能脫離基體。模型的核心判斷標準是：單位面積的除銹力（由熱膨脹系數(shù)、彈性模量、溫升等參數(shù)計算）必須超過單位面積的附著力，即達到 “除銹力閾值”。不過該模型的計算相對粗糙，更適合用于定性解釋實驗現(xiàn)象，比如為何部分附著物會在特定激光參數(shù)下批量脫落。

（三）蒸氣激光除銹：應(yīng)力波模型

這是液體輔助除銹的核心理論，場景特指表面有液體薄膜（且薄膜不吸收激光波長）的情況。激光照射后，固 - 液界面會迅速產(chǎn)生大量高溫蒸氣泡，這些氣泡的膨脹會像 “平面活塞” 一樣壓迫周圍液體，進而產(chǎn)生強烈的應(yīng)力波 —— 這種應(yīng)力波就是除銹的核心動力。

科學家通過假設(shè)氣泡內(nèi)蒸氣壓、蒸氣層膨脹速度等參數(shù)，推導出應(yīng)力波的壓力計算公式，其中關(guān)鍵是氣泡膨脹過程中釋放的能量轉(zhuǎn)化。值得一提的是，液體的存在不僅能增強應(yīng)力波強度，還能擴大除銹面積（超過激光光斑本身），這也是濕式除銹效率更高的重要原因。

三、關(guān)鍵概念：除銹閾值能量

無論是哪種模型，都繞不開 “閾值能量” 這一核心參數(shù) —— 當激光能量密度剛好讓除銹力等于附著力時，這個能量密度就是除銹閾值。低于這個閾值，除銹力不足，附著物無法脫離；高于閾值，除銹才能有效進行。不同的附著物、基體材質(zhì)、除銹環(huán)境，對應(yīng)的閾值能量差異顯著，這也是實際應(yīng)用中需要精準調(diào)控激光參數(shù)的關(guān)鍵依據(jù)。

四、理論的實踐驗證：從實驗室到應(yīng)用

基礎(chǔ)理論的價值，最終要通過實驗與應(yīng)用驗證。1974 年，F(xiàn)ox 的實驗首次證實了濕式除銹的可行性 —— 他用激光照射涂有油漆的基底，發(fā)現(xiàn)水的存在能產(chǎn)生更強的應(yīng)力波，大幅提升除漆效果；1988 年，Aesendel'ft 的實驗進一步表明，濕式除銹效率與液體膜厚度相關(guān)（厚度增加會降低效率），且應(yīng)力波對微粒去除有積極作用；2005 年，Hsin—Tsun Hsu 等人建立的數(shù)學模型，則證實了激光功率密度的提高能增強表面應(yīng)力波的加速度，為高效除銹提供了新的理論支撐。

這些實驗不僅驗證了基礎(chǔ)模型的合理性，也推動了理論的完善。如今，盡管不同模型仍有各自的局限性（如部分計算粗糙、假設(shè)條件理想化），但它們共同構(gòu)成了激光除銹的理論基石，解釋了 “激光為何能去污” 的核心問題。

結(jié)語

激光除銹的基礎(chǔ)理論，是微觀力學、熱力學與光學的交叉融合 —— 從附著力的量化分析，到除銹力的模型推導，再到閾值能量的關(guān)鍵作用，每一個環(huán)節(jié)都體現(xiàn)著科學的嚴謹性。這些理論不僅為技術(shù)研發(fā)提供了方向，也讓激光除銹從 “經(jīng)驗型操作” 走向 “精準化調(diào)控”。隨著研究的深入，未來或許會有更完善的機理模型出現(xiàn)，但目前的基礎(chǔ)理論已足夠支撐我們理解這項技術(shù)的核心邏輯，為激光除銹在工業(yè)、文物保護等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定了堅實的科學基礎(chǔ)。