石佑敏 馬服輝 涂孝軍

(蘇州大學(xué)工程訓(xùn)練中心 江蘇蘇州 215000)

液體在靜止或流動過程中都會有氣體溶入，懸浮著的氣相微泡被稱為空化核，當(dāng)液體流速較高且壓強降低至液體飽和蒸汽壓以下，液體發(fā)生劇烈氣化產(chǎn)生大量氣泡，且空泡體積不斷膨脹變大。氣核作為氣泡生長的載體進入水流高壓低流速區(qū)則發(fā)生潰滅，瞬時產(chǎn)生強烈沖擊，該現(xiàn)象稱為“空化”[1]?？栈且环N不可避免且非常常見的流體現(xiàn)象，其產(chǎn)生的巨大能量引起的空蝕破壞問題則嚴(yán)重威脅著工業(yè)機械部件的正常功能和使用壽命。如何將引起空蝕破壞的巨大能量轉(zhuǎn)化為有益于工業(yè)生產(chǎn)與生活的技術(shù)應(yīng)用已成為學(xué)者們研究的焦點。

該研究采用不同的實驗方式誘導(dǎo)產(chǎn)生空泡，包括動力學(xué)空泡、電火花空泡、超聲波空泡等方法。然而，以上方法產(chǎn)生的空泡可控制性、球?qū)ΨQ性能較差，最終實驗結(jié)果和空化理論結(jié)論不具有良好的匹配性。隨著激光技術(shù)的發(fā)展與普及，激光已具備方向性好、能量大、亮度高的優(yōu)良特性。激光誘導(dǎo)空泡具有定位精準(zhǔn)、球?qū)ΨQ性好、可控性強等優(yōu)點，可大幅度提高空泡空化研究的精確性。激光誘導(dǎo)空化技術(shù)的研究與發(fā)展為以前難以解決的問題提供了新的途徑。

1 激光誘導(dǎo)空化技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

激光誘導(dǎo)空化的過程是光學(xué)、聲學(xué)、機械效應(yīng)的復(fù)合過程，因此在研究激光誘導(dǎo)空化的技術(shù)時需要以理論分析作為基礎(chǔ)并和實驗研究相互結(jié)合。

國外學(xué)者對液體介質(zhì)中球形空泡的動力學(xué)研究較早，在20 世紀(jì)初，RAYLEIGH L 就以不可壓縮的流體介質(zhì)作為研究前提，提出了空泡動力學(xué)理論，較為完整地闡述了空泡的脈動周期與壓力場問題，為后續(xù)空泡的脈動及能量耗散研究提供了理論依據(jù)[2]。而激光擊穿液體介質(zhì)的研究較晚，BARNES P A等人首次觀察到激光擊穿水介質(zhì)的現(xiàn)象，該發(fā)現(xiàn)為研究激光誘導(dǎo)空化現(xiàn)象指明方向[3]。LAUTERBORN W 在1972 年利用高速攝像機拍攝出不同液體介質(zhì)中單個空泡的脈動圖片，該實驗結(jié)果驗證了Rayleigh的空泡模型[4]。

隨著激光技術(shù)的進一步成熟，激光誘導(dǎo)空泡的研究優(yōu)勢逐漸凸顯，研究方法也逐漸多樣化。不同學(xué)者將水聽器、紋影儀以及高速攝影技術(shù)應(yīng)用到激光誘導(dǎo)空化實驗中，并取得了實質(zhì)性的進展，利用高速攝像技術(shù)可以拍攝并測量出激光誘導(dǎo)空泡的脈動過程和泡徑，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)出沖擊波和微射流作用與泡心到材料表面距離的關(guān)系。實驗設(shè)備與測量方式的完善使國外激光空化的研究在不同領(lǐng)域均取得實質(zhì)性的進展，為激光誘導(dǎo)空化廣泛地應(yīng)用于工業(yè)化領(lǐng)域奠定了良好基礎(chǔ)。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

相比于國外激光空化的研究，國內(nèi)在理論研究和實驗方面也取得較多成果。黃繼湯等人研究了不同液體介質(zhì)，并從介質(zhì)表面張力的角度出發(fā)探究了不同介質(zhì)中單個空泡的脈動過程[5]。李貝貝等人探測了激光誘導(dǎo)空化過程中產(chǎn)生的等離子聲波，并對其特性進行了研究，提出了激光誘導(dǎo)空化產(chǎn)生的沖擊波本質(zhì)上是一種脈沖波，并且給出了具體的定義，研究發(fā)現(xiàn)該脈沖聲波的幅度與激光能量密度呈現(xiàn)相應(yīng)的比例關(guān)系[6]。宗思光等人系統(tǒng)地論證了在不同的液體介質(zhì)環(huán)境中，激光誘導(dǎo)空泡的發(fā)光特性并完善了沖擊波輻射相關(guān)理論[7]。

在實驗研究方面，雖然國內(nèi)將高速攝像機應(yīng)用到激光空化實驗中相對較晚，但近幾年發(fā)展迅猛。以浙江大學(xué)、江蘇大學(xué)等國內(nèi)高校為例，通過搭建較為完備的激光誘導(dǎo)空化實驗平臺，并將高速攝像機、水聽器以及紋影儀等設(shè)備用于探測空泡的脈動及信號，目前已經(jīng)取得相當(dāng)可觀的成果，為激光空化技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用打下堅實基礎(chǔ)。

2 激光空化技術(shù)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 激光誘導(dǎo)空化技術(shù)在微成形領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著工業(yè)現(xiàn)代化進程的不斷加快，微型化精細制造已經(jīng)是航空、通信、生物醫(yī)療、計算機領(lǐng)域產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)的趨勢。目前，常規(guī)的微成形加工方法主要包括精密模具微成形加工法和激光微成形加工法[8]。上述兩種工藝都較為成熟并且在不同領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，但同時也存在工藝局限性。例如：精密模具微成形法，其產(chǎn)品的加工質(zhì)量非常依賴模具本身的配合精度與剛性沖頭的壽命時限，且驅(qū)動裝置復(fù)雜，制造和維護成本都較為昂貴。激光微成形加工利用激光等離子沖擊波作用于材料表面，其犧牲層只能一次使用而不能發(fā)生補償，屬于非增量式加工。

為了彌補上述工藝的缺陷，激光誘導(dǎo)空化微成形技術(shù)作為一種新型技術(shù)具有不可替代的優(yōu)勢。激光誘導(dǎo)空化所產(chǎn)生的沖擊波與微射流所形成的載荷代替沖頭作用于材料表面，作用載荷與材料之間的犧牲層為水介質(zhì)，因此可不斷進行補償，可實現(xiàn)增量式的加工模式。通過調(diào)節(jié)激光能量、焦點位置等參數(shù)可以靈活調(diào)整載荷大小與加工位置。隨著激光空化技術(shù)研究技術(shù)的不斷完善，微成形技術(shù)已經(jīng)可以通過一系列可視化探測手段對其成形過程進行調(diào)控，在激光空化微成形制造領(lǐng)域，高速攝影技術(shù)與聲學(xué)探測技術(shù)已被廣泛采用檢測加工過程的空泡脈動過程、沖擊波的能量幅值以及影響作用區(qū)域。

不僅如此，隨著激光誘導(dǎo)空化模擬研究的蓬勃發(fā)展，通過模擬理論模型的選擇，不同參數(shù)的設(shè)定與網(wǎng)格的劃分，可模擬出的空泡在加工材料表面壓力、溫度、形變等不同作用結(jié)果。通過對比驗證發(fā)現(xiàn)其模擬結(jié)果與實驗測試結(jié)果吻合度較高，激光誘導(dǎo)微成形模擬技術(shù)的發(fā)展可為實際加工過程提供指導(dǎo)，在產(chǎn)品微成形開發(fā)前端可通過模擬方式找到最佳生產(chǎn)參數(shù)以提高生產(chǎn)效率，降低成本。激光空化實驗及模擬的發(fā)展已為微成形制造提供了嶄新的方向，目前激光誘導(dǎo)空化微成形加工的獨特優(yōu)勢已經(jīng)在微納制造領(lǐng)域得到良好的應(yīng)用，可以加工 10 μm 厚度及以下的超薄壁材料，彌補了以往高速成形微加工帶來的沖破和起皺現(xiàn)象，可用于化學(xué)反應(yīng)、納米材料、傳感器、電池、芯片、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[9]。目前，歐美、新加坡、日本等國家均致力于攻克激光誘導(dǎo)空化在微成形領(lǐng)域應(yīng)用難題，并已在理論方向和應(yīng)用領(lǐng)域都取得相應(yīng)的突破和進展。

2.2 激光空化技術(shù)在材料強化領(lǐng)域的應(yīng)用

根據(jù)研究可知，當(dāng)空化發(fā)生在材料表面附近時，空泡兩側(cè)的壓強差會使空泡發(fā)生趨壁效應(yīng)，空泡在固壁面附近發(fā)生潰滅，空泡潰滅瞬間產(chǎn)生的能量給材料表面帶來巨大沖擊，長此以往會對材料產(chǎn)生破壞作用。近年來，有學(xué)者提出，利用這種高能量來達到強化材料的效果，該創(chuàng)新思維的提出為激光誘導(dǎo)空化強化的研究提供了清晰的方向，并通過不同學(xué)者來不斷科學(xué)地深入研究而獲得寶貴的推廣經(jīng)驗。

激光誘導(dǎo)空化強化是一種材料表面強化技術(shù)[10]。目前，表面強化技術(shù)主要包括機械噴丸、超聲強化及激光強化等。相對于機械噴丸這種已經(jīng)較為成熟表面強化工藝，激光空化強化作為激光強化工藝的衍生，具有非接觸式、無熱影響區(qū)、定位精確、可控性強等獨特的優(yōu)點。目前，學(xué)者已經(jīng)實驗驗證激光誘導(dǎo)空化的方式對鋁合金孔表面進行處理，并將其結(jié)果與噴丸工藝進行對比，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過激光空化強化處理后工件疲勞壽命要遠大于噴丸工藝，鋁合金表面殘余應(yīng)力達到300 MPa，疲勞壽命延長至10倍以上。因此，激光空化強化技術(shù)盡管不夠成熟，但其應(yīng)用效果十分顯著。在進一步擴大材料適用性與提高其技術(shù)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，未來有望廣泛應(yīng)用在航空飛機、大型汽輪機、高精密機床、渦輪葉片以及汽車關(guān)鍵零部件制造等高端制造領(lǐng)域。

2.3 激光誘導(dǎo)空化在制備石墨烯領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，為人們所熟知的碳納米家族材料包括石墨、金剛石、碳納米管、石墨烯等，其中石墨烯材料備受關(guān)注[11]。石墨烯不僅具有納米材料的特性，且硬度、抗拉強度、彈性模量、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率都極高、光學(xué)透明度好。正是由于如此獨特的優(yōu)良性能，石墨烯被廣泛應(yīng)用在光電、能源、材料復(fù)合、傳感器等領(lǐng)域。目前，制備石墨烯的方法包含傳統(tǒng)的機械剝離法和氧化還原法，新式方法包含化學(xué)氣相沉積法、外延生長法、激光誘導(dǎo)制備法。

由于激光具有密度大、可操作性強、污染小等優(yōu)點，激光誘導(dǎo)石墨烯的制備得到了長足的發(fā)展。激光誘導(dǎo)石墨烯的制備通常分為基體表面析出法、脈沖激光沉積法、液相激光輔助法。其中，液相激光輔助法制備過程對環(huán)境要求很低且效率較高，利用激光持續(xù)輻照沖擊液體中的靶材約2 h得到灰色溶液，在經(jīng)過離心處理后得到石墨烯懸浮液。該制備方式是利用激光誘導(dǎo)空化使液體局部產(chǎn)生很高的壓強，在高溫高壓環(huán)境下使碳原子重組變?yōu)槭Ｄ壳?，通過激光誘導(dǎo)空化方式已經(jīng)成功制備并分離出石墨烯，但該方式依然存在制備效率方面的問題，加快完善激光誘導(dǎo)制備石墨烯技術(shù)并推進此工藝產(chǎn)業(yè)化仍然需要不斷探索以完備相關(guān)參數(shù)。

2.4 激光誘導(dǎo)空化技術(shù)在有機廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)污水的排放已成為生態(tài)環(huán)境惡化的重要因素，水污染的治理迫在眉睫，廢水處理技術(shù)也一直在更新?lián)Q代，目前大部分技術(shù)已經(jīng)可以處理成分較簡單且濃度較低的無機廢水，而在排放量更多、危害更大的有機廢水處理方面依然缺乏高效、環(huán)保、經(jīng)濟可行的方案。目前，常見的有機廢水處理方式有物理技術(shù)法、化學(xué)技術(shù)法、生物學(xué)技術(shù)法[12]。上述傳統(tǒng)方法都存在一定的局限性，如物理法降解不完全、化學(xué)法極易造成二次污染、生物學(xué)技術(shù)法適用條件有限等缺點。近年來，以羥自由基的高級氧化技術(shù)進入人們的視線并迅速掀起研究熱潮。研究發(fā)現(xiàn)，羥自由基氧化處理污水技術(shù)具有氧化能力強、工藝靈活、無二次污染、可控性強、降解充分、應(yīng)用范圍廣泛等優(yōu)點。

而激光誘導(dǎo)空化技術(shù)作為一種能夠產(chǎn)生羥基自由基的先進廢水處理技術(shù)得到廣泛研究。在激光誘導(dǎo)空化過程中，在空泡潰滅的微秒級時間中，高溫高壓的環(huán)境導(dǎo)致水分子化學(xué)鍵的斷裂與自由基的生成，水分子分解形成·H 和·OH 自由基，而自由基又進一步生成雙氧水氧化物，強氧化性的自由基和氧化物質(zhì)能夠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而使有機污染物降解。目前，已有很多學(xué)者利用激光誘導(dǎo)空化技術(shù)對有機廢水進行了降解實驗研究，并證明了此項技術(shù)的有效性。激光誘導(dǎo)空化羥自由基氧化技術(shù)有望廣泛應(yīng)用在有機污水處理上，為有機污水處理提供一種重要手段和途徑。

2.5 激光誘導(dǎo)空化技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著激光技術(shù)的迅速發(fā)展，激光技術(shù)作為一種高科技的治療方式將醫(yī)療手段推到一個更加精細、前沿的高度。激光在醫(yī)療方面的應(yīng)用包含診斷與檢測、治療這兩種方式[13]。利用激光照射活體細胞能夠有效檢測出細胞光譜并做出及時診斷，而激光治療又分為手術(shù)和非手術(shù)治療、皮膚治療等。

激光手術(shù)治療是指利用功率密度較高的激光束作用于病變組織上，對生物組織進行消融、切割等各種方式的手術(shù)。激光手術(shù)治療方式在外科治療領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，相比傳統(tǒng)外科手術(shù)方式，激光由于其能量高、可控性強等獨特優(yōu)勢可實現(xiàn)手術(shù)創(chuàng)口小、效率高、定位精準(zhǔn)等，能夠極大限度地緩解手術(shù)后產(chǎn)生的不良影響，使手術(shù)效益實現(xiàn)最大化。但由于激光能量較高，方向性強，因此在激光束聚焦作用區(qū)域，不可避免地使熱影響區(qū)域組織發(fā)生碳化等不可逆的傷害。為了解決此問題，可采取兩種途徑，一種是減小激光作用區(qū)域熱效應(yīng)，另一種是提高激光作用效率，減少消融時間，減緩不良影響。而有醫(yī)學(xué)實驗表明：在激光作用于骨介質(zhì)的區(qū)域，若有液體介質(zhì)作為激光作用的中間層，則可明顯緩解激光作用于骨質(zhì)區(qū)域的熱損傷，此研究表明在液體介質(zhì)中，激光、介質(zhì)及作用靶材之間的作用機理對激光治療有非常重要的影響，有望成為進一步提高激光手術(shù)治療領(lǐng)域精度的重要手段。為了進一步探究出液體介質(zhì)在激光手術(shù)過程中的作用，將高速攝影技術(shù)應(yīng)用到手術(shù)中以實現(xiàn)其作用過程可視化，有學(xué)者研究了脈沖激光通過光纖作用于消融組織的效果，并以高速攝影技術(shù)將其記錄。在實驗過程中，激光首先作用于光纖與目標(biāo)生物組織之間的液體環(huán)境下產(chǎn)生空泡，而空泡的動力學(xué)是影響脈沖激光與目標(biāo)生物組織相互作用的重要因素，研究發(fā)現(xiàn)，在臨床過程中合理選擇激光能量和入射光纖參數(shù)可以大大減輕手術(shù)的負面效應(yīng)[14]。此外,在激光與物質(zhì)相互作用時，作用靶材表面水層不僅能夠提高去除效率，還可顯著提高作用靶材表面的平整度，極大限度地保護手術(shù)作用區(qū)域并減少器官損害等不良影響。因此，在激光治療中關(guān)注空化空泡的效應(yīng)能夠最大限度地提高醫(yī)療的效率和精準(zhǔn)性。激光誘導(dǎo)空化技術(shù)的不斷成熟和完善將在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮其獨特的作用，推動醫(yī)療往更精細、更前端的方向發(fā)展。

3 結(jié)語

綜上所述，激光誘導(dǎo)空化技術(shù)憑借其自身獨特的優(yōu)勢在多個行業(yè)和研究領(lǐng)域都掀起了研究的熱潮。目前，該技術(shù)的應(yīng)用大部分仍然停留在科學(xué)研究的范疇，但各項研究成果已經(jīng)展現(xiàn)出該技術(shù)的巨大潛力，因此在驗證激光誘導(dǎo)空化的技術(shù)可行性的基礎(chǔ)上，如何突破該技術(shù)的局限性廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域并且獲得較好的經(jīng)濟效益將是下一步研究的重中之重。相關(guān)領(lǐng)域的研究人員應(yīng)該密切關(guān)注國際相關(guān)技術(shù)發(fā)展動態(tài)，加強對外的學(xué)術(shù)交流，洞悉行業(yè)發(fā)展動態(tài)，進一步提升和拓寬該技術(shù)的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域，為激光誘導(dǎo)空化技術(shù)的工業(yè)化步伐做出更大貢獻，推動行業(yè)健康發(fā)展。