ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2015, том 34, № 5, с. 11-17
ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ ^^^^^^
НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ
УДК 621.384.4
О ГЕНЕРАЦИИ ГАЗОПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ ФОТОПОЛИМЕРИЗУЮЩИХСЯ КОМПОЗИЦИЙ
© 2015 г. Е. Ю. Локтионов*, Ю. С. Протасов
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Москва
*Е-таП: stcpe@bmstu.ru Поступила в редакцию 04.07.2014
Представлены результаты исследования эффективности применения фотополимеризующихся композиций (ФПК) в лазерно-плазменных установках различного назначения: эффективного решения задач транспортировки и тонкой дозировки рабочего вещества, обеспечения высокого ресурса и надежности. Обсуждаются особенности отверждения импульсным и непрерывным лазерным излучением ФПК и смесей на их основе с точки зрения спектрально-энергетических характеристик воздействующего излучения. Определены пороги наносекундной лазерной абляции в УФ- и ближней ИК-области, удельный массовый расход и механический импульс отдачи, эффективность преобразования энергии излучения в кинетическую энергию лазерно индуцированного газоплазменного потока для ФПК в жидком и отвержденном состояниях. Наибольшая эффективность генерации газоплазменных потоков достигнута при воздействии лазерного излучения с длиной волны X ~ 355 нм, соответствующей оптимальной для фотополимеризации, на ФПК в изначально жидком состоянии.
Ключевые слова: фотополимеризующиеся композиции, светоотверждаемые полимеры, лазерная абляция, система подачи, спектрально-энергетический порог лазерной абляции, реактивная сила, импульс отдачи, удельный механический импульс отдачи.
Б01: 10.7868/80207401X15050076
ВВЕДЕНИЕ
Применение фотополимеризующихся композиций (ФПК) [1] для решения практических задач, связанных с лазерной генерацией газоплазменных потоков, имеет ряд преимуществ: воздействие осуществляется, как правило, на поверхность твердых тел. При этом достигается высокая объемная плотность энергии излучения в веществе, а потери в большинстве случаев связаны лишь с рассеянием тепла в объеме мишени. Особенность лазерного воздействия на жидкости заключается в том, что они обладают высоким линейным коэффициентом поглощения лишь на отдельных участках спектра. При их интенсивном испарении происходит образование капель, а также рассеяние части кинетической энергии абляционного потока и ударных волн в объеме жидкости [2]. С другой стороны, для инжекции рабочего вещества в зону лазерного воздействия в энергодвигательных и технологических установках жидкости являются более предпочтительными [3] как с точки зрения транспортировки и тонкой дозировки, так и с точки зрения введения в них различного рода добавок [4, 5]. Отверждение ФПК непосредственно перед лазерным воздействием, таким образом, позволяет сочетать преимущества, соответствую-
щие этим агрегатным состояниям, на различных этапах рабочего процесса. Использование особенностей ФПК для лазерной генерации плазмы впервые предложено в [6].
Эффективность лазерной абляции, как известно, может характеризоваться удельным массовым расходом Дт/Е, удельным механическим импульсом отдачи Ст~ Дт(у)/Е и другими параметрами [7, 8]. Для устранения недостатков использования жидких рабочих сред, связанных преимущественно с потерями механической энергии на макроскопическое перемещение вещества (расплескивание) [9], рядом авторов предлагалось формировать из них тонкие пленки [10] и отдельные капли [11], пропитывать пористые матрицы-мишени [12], увеличивать вязкость [13, 14]. Однако результаты этих исследований показывают, что при пространственном ограничении зоны испарения и повышении вязкости жидкости увеличение эффективности лазерной абляции возможно лишь в пределах одного-полутора порядков, при этом абсолютные значения рассматриваемых параметров остаются малыми по сравнению с твердотельными средами [7]. Так, с уменьшением толщины пленки (как и при увеличении вязкости жидкости) среднемассовая скорость продуктов
абляции, V, несколько возрастает, но все равно остается в пределах (V) ~ 30—80 м/с (при лазерной абляции твердых тел этот параметр на полтора—три порядка больше [3, 15]). Хотя удельный механический импульс отдачи при воздействии на жидкости сравнительно велик: Ст ~ (0.2^1) • 10-2 Н • с/Дж (для твердых тел это значение на два порядка меньше [7, 16]), эффективность преобразования энергии лазерного излучения в кинетическую энергию реактивной струи, определяемая как п ~ Ст(v)/2, мала и составляет ~(1^20) • 10-4 (для твердых тел это значение на два порядка больше [17]).
Исследование эффективности лазерного воздействия на одно и то же по химическому составу вещество в изначально различных агрегатных состояниях известно лишь для воды и льда [18]. Показано, что при воздействии на воду удельный механический импульс отдачи в 6—7 раз больше, чем при воздействии на лед, но из-за низкой средне-массовой скорости продуктов абляции эффективность преобразования энергии излучения в кинетическую энергию реактивной струи остается примерно одинаковой в обоих случаях (~4—6%). Таким образом, если существует возможность изменять агрегатное состояние вещества, существенно расширяется диапазон оптомеханиче-ских характеристик при сохранении энергетической эффективности. Важным параметром для плазменных инжекторов является также минимальный бит механического импульса [19], малая величина которого недостижима при лазерном воздействии на жидкости.
Для отверждения жидкого рабочего вещества непосредственно перед воздействием, очевидно, можно использовать его охлаждение до температуры плавления. Также отверждение может происходить в результате полимеризации, причем фотополимеризация менее инерционна и более управляема по сравнению с термополимеризацией. При использовании специальных фотоинициаторов, просветляющих продукты фотохимической
реакции для воздействующего излучения, возможна УФ-ИК-фотополимеризация слоев ФПК толщиной ~1 мм [20]. Процессы, аналогичные фотополимеризации, обычно происходящей лишь в приповерхностном слое толщиной ~10-5—10-4 м, могут быть инициированы на глубине до 20 мм при экспонировании соответствующего вещества в электронном пучке [21]. Кроме полимеризации, для перенасыщенных растворов ряда веществ (аналогично фотоконденсации перенасыщенных паров [22]) может иметь место светоиндуциро-ванная кристаллизация [23]. Характерная длительность этого процесса исчисляется десятками секунд, а область его распространения не ограничивается зоной воздействия, в пределе охватывая весь доступный объем.
Впервые ФПК были применены в 1969 г. для записи голограмм, в настоящее время они используются в качестве оптических и стоматологических клеев, чернил для УФ-печати, конструкционных паст в 3D-принтерах, сред для стереофотолитографии [24]. Скорость фотополимеризации можно регулировать, изменяя как концентрацию и сорт фотоинициаторов, так и длину волны и интенсивность излучения. На нее также оказывают влияние наличие различного рода примесей и состав окружающей среды (например, кислород может как ускорять, так и замедлять реакцию) [25]. В технологиях УФ-печати достигнуто время отверждения ~30 мс при дозе излучения (к ~ 365 нм) ~30 мДж/см2 (что много меньше порога абляции). Ограничениями по применению ФПК могут быть сроки гарантийного хранения (~6 мес) и рабочий диапазон температур.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
В данной работе приводятся результаты исследования эффективности лазерного воздействия на пленки чернил для УФ-печати на акриловой основе (8РС-0659У, М1шак1) в жидком и отвер-жденном состояниях (рис. 1). ФПК наносилась из
Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 — генератор импульсов, 2 — пьезоэлектрический насос, 3 — емкость с жидкостью, 4 — керамическая феррула, 5 — наносекундный лазер, 6 — оптический микроскоп, 7 — диодный лазер, 8 — капля ФПК, 9 — стеклянная подложка, 10 — тонкопленочный датчик силы, 11 — усилитель сигнала, 12 — цифровой осциллограф, 13 — калориметр.
G
V 10 9 13
12
213 нм
266 нм
355 нм 5
532 нм
1064 нм
3
4
1
2
дозирующей пипетки (Finnpipette Digital) каплями номинальным объемом ~0.5 мкл на покровное стекло, которое взвешивалось на всех этапах исследования с точностью 10 мкг на аналитических весах (CAS CAUW-120D). Мишень располагалась на пленочном (из поливинилиденфторида) калиброванном датчике силы (Images SI PZ-02) [26], присоединенном к цифровому осциллографу (Tektronix TDS 2024B). Для отверждения ФПК мишень облучалась диодным лазером (Lasever LSR405NL) с длиной волны излучения X ~ 405 нм (оптимальной длиной волны для отверждения данной ФПК является X ~ 365 нм) и интенсивностью I0 ~ 0.8 Вт/см2 в течение ~2 с. Воздействие (рис. 2) осуществлялось излучением первой—пятой гармоник (X1 ~ 1064 нм, X2 ~ 532 нм, X3 ~ 355 нм, X4 ~ 266 нм, X5 ~ 213 нм) наносекундных (т0 5 ~ 18 и 12 нс)
Nd^AG-лазеров (соответственно Lotis TII LS-2147 и Solar LQ929). Размер пятна фокусировки излучения (~0.02 мм2) регистрировался при помощи оптического микроскопа. Оптические характеристики ФПК исследовались в УФ-и ближней ИК-области при помощи спектрофотометра СФ-2000 в диапазоне 190—1100 нм, спектры комбинационного рассеяния — с использованием комплекса Raman Systems R-3000 (785 нм, 200-2700 см-1).
Квазинепрерывная система инжекции ФПК в рабочую область осуществляется с применением пьезомикронасоса (Burkert 7616), управляемого генератором импульсов (Stanford Research Systems DG645). Для минимизации размера генерируемых капель использовались керамические
Результаты измерений
X, нм (W, Дж/см2) Состояние W, a2 Дж/см2 F мН <v>, м/с {Am>/E, мг/Дж C m мН-с/Дж %
213 жидкое 11.4 0.2 25.9 10.0 0.259 0.3
(30) отвержденное 1.8 0.18 120 2.0 0.241 1.5
266 жидкое 4.67 74 138 6.77 0.933 6.4
(300) отвержденное 1.02 53 476 0.35 0.167 4.0
355 жидкое 6.3 150 1357 0.268 0.333 22.6
(300) отвержденное 2.69 75 909 0.21 0.175 8.0
532 жидкое 8.5 4.5 41 3.4 0.139 0.29
(300) отвержденное 5.0 4.0 190 0.5 0.095 0.91
(2гОг) феррулы для оптоволокна с диаметром отверстия ~230 мкм (1Ъог1аЬ8 CF230).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Исследованию динамики процессов отвер
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.