激光诱导空化技术研究及应用

石佑敏 马服辉 涂孝军

(苏州大学工程训练中心 江苏苏州 215000)

液体在静止或流动过程中都会有气体溶入，悬浮着的气相微泡被称为空化核，当液体流速较高且压强降低至液体饱和蒸汽压以下，液体发生剧烈气化产生大量气泡，且空泡体积不断膨胀变大。气核作为气泡生长的载体进入水流高压低流速区则发生溃灭，瞬时产生强烈冲击，该现象称为“空化”[1]。空化是一种不可避免且非常常见的流体现象，其产生的巨大能量引起的空蚀破坏问题则严重威胁着工业机械部件的正常功能和使用寿命。如何将引起空蚀破坏的巨大能量转化为有益于工业生产与生活的技术应用已成为学者们研究的焦点。

该研究采用不同的实验方式诱导产生空泡，包括动力学空泡、电火花空泡、超声波空泡等方法。然而，以上方法产生的空泡可控制性、球对称性能较差，最终实验结果和空化理论结论不具有良好的匹配性。随着激光技术的发展与普及，激光已具备方向性好、能量大、亮度高的优良特性。激光诱导空泡具有定位精准、球对称性好、可控性强等优点，可大幅度提高空泡空化研究的精确性。激光诱导空化技术的研究与发展为以前难以解决的问题提供了新的途径。

1 激光诱导空化技术的研究现状

1.1 国外研究现状

激光诱导空化的过程是光学、声学、机械效应的复合过程，因此在研究激光诱导空化的技术时需要以理论分析作为基础并和实验研究相互结合。

国外学者对液体介质中球形空泡的动力学研究较早，在20 世纪初，RAYLEIGH L 就以不可压缩的流体介质作为研究前提，提出了空泡动力学理论，较为完整地阐述了空泡的脉动周期与压力场问题，为后续空泡的脉动及能量耗散研究提供了理论依据[2]。而激光击穿液体介质的研究较晚，BARNES P A等人首次观察到激光击穿水介质的现象，该发现为研究激光诱导空化现象指明方向[3]。LAUTERBORN W 在1972 年利用高速摄像机拍摄出不同液体介质中单个空泡的脉动图片，该实验结果验证了Rayleigh的空泡模型[4]。

随着激光技术的进一步成熟，激光诱导空泡的研究优势逐渐凸显，研究方法也逐渐多样化。不同学者将水听器、纹影仪以及高速摄影技术应用到激光诱导空化实验中，并取得了实质性的进展，利用高速摄像技术可以拍摄并测量出激光诱导空泡的脉动过程和泡径，并在此基础上总结出冲击波和微射流作用与泡心到材料表面距离的关系。实验设备与测量方式的完善使国外激光空化的研究在不同领域均取得实质性的进展，为激光诱导空化广泛地应用于工业化领域奠定了良好基础。

1.2 国内研究现状

相比于国外激光空化的研究，国内在理论研究和实验方面也取得较多成果。黄继汤等人研究了不同液体介质，并从介质表面张力的角度出发探究了不同介质中单个空泡的脉动过程[5]。李贝贝等人探测了激光诱导空化过程中产生的等离子声波，并对其特性进行了研究，提出了激光诱导空化产生的冲击波本质上是一种脉冲波，并且给出了具体的定义，研究发现该脉冲声波的幅度与激光能量密度呈现相应的比例关系[6]。宗思光等人系统地论证了在不同的液体介质环境中，激光诱导空泡的发光特性并完善了冲击波辐射相关理论[7]。

在实验研究方面，虽然国内将高速摄像机应用到激光空化实验中相对较晚，但近几年发展迅猛。以浙江大学、江苏大学等国内高校为例，通过搭建较为完备的激光诱导空化实验平台，并将高速摄像机、水听器以及纹影仪等设备用于探测空泡的脉动及信号，目前已经取得相当可观的成果，为激光空化技术在各个领域的应用打下坚实基础。

2 激光空化技术在各领域中的应用

2.1 激光诱导空化技术在微成形领域的应用

随着工业现代化进程的不断加快，微型化精细制造已经是航空、通信、生物医疗、计算机领域产品设计和生产的趋势。目前，常规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]。上述两种工艺都较为成熟并且在不同领域发挥着重要作用，但同时也存在工艺局限性。例如：精密模具微成形法，其产品的加工质量非常依赖模具本身的配合精度与刚性冲头的寿命时限，且驱动装置复杂，制造和维护成本都较为昂贵。激光微成形加工利用激光等离子冲击波作用于材料表面，其牺牲层只能一次使用而不能发生补偿，属于非增量式加工。

为了弥补上述工艺的缺陷，激光诱导空化微成形技术作为一种新型技术具有不可替代的优势。激光诱导空化所产生的冲击波与微射流所形成的载荷代替冲头作用于材料表面，作用载荷与材料之间的牺牲层为水介质，因此可不断进行补偿，可实现增量式的加工模式。通过调节激光能量、焦点位置等参数可以灵活调整载荷大小与加工位置。随着激光空化技术研究技术的不断完善，微成形技术已经可以通过一系列可视化探测手段对其成形过程进行调控，在激光空化微成形制造领域，高速摄影技术与声学探测技术已被广泛采用检测加工过程的空泡脉动过程、冲击波的能量幅值以及影响作用区域。

不仅如此，随着激光诱导空化模拟研究的蓬勃发展，通过模拟理论模型的选择，不同参数的设定与网格的划分，可模拟出的空泡在加工材料表面压力、温度、形变等不同作用结果。通过对比验证发现其模拟结果与实验测试结果吻合度较高，激光诱导微成形模拟技术的发展可为实际加工过程提供指导，在产品微成形开发前端可通过模拟方式找到最佳生产参数以提高生产效率，降低成本。激光空化实验及模拟的发展已为微成形制造提供了崭新的方向，目前激光诱导空化微成形加工的独特优势已经在微纳制造领域得到良好的应用，可以加工 10 μm 厚度及以下的超薄壁材料，弥补了以往高速成形微加工带来的冲破和起皱现象，可用于化学反应、纳米材料、传感器、电池、芯片、生物医学等领域[9]。目前，欧美、新加坡、日本等国家均致力于攻克激光诱导空化在微成形领域应用难题，并已在理论方向和应用领域都取得相应的突破和进展。

2.2 激光空化技术在材料强化领域的应用

根据研究可知，当空化发生在材料表面附近时，空泡两侧的压强差会使空泡发生趋壁效应，空泡在固壁面附近发生溃灭，空泡溃灭瞬间产生的能量给材料表面带来巨大冲击，长此以往会对材料产生破坏作用。近年来，有学者提出，利用这种高能量来达到强化材料的效果，该创新思维的提出为激光诱导空化强化的研究提供了清晰的方向，并通过不同学者来不断科学地深入研究而获得宝贵的推广经验。

激光诱导空化强化是一种材料表面强化技术[10]。目前，表面强化技术主要包括机械喷丸、超声强化及激光强化等。相对于机械喷丸这种已经较为成熟表面强化工艺，激光空化强化作为激光强化工艺的衍生，具有非接触式、无热影响区、定位精确、可控性强等独特的优点。目前，学者已经实验验证激光诱导空化的方式对铝合金孔表面进行处理，并将其结果与喷丸工艺进行对比，发现经过激光空化强化处理后工件疲劳寿命要远大于喷丸工艺，铝合金表面残余应力达到300 MPa，疲劳寿命延长至10倍以上。因此，激光空化强化技术尽管不够成熟，但其应用效果十分显著。在进一步扩大材料适用性与提高其技术稳定性的基础上，未来有望广泛应用在航空飞机、大型汽轮机、高精密机床、涡轮叶片以及汽车关键零部件制造等高端制造领域。

2.3 激光诱导空化在制备石墨烯领域的应用

目前，为人们所熟知的碳纳米家族材料包括石墨、金刚石、碳纳米管、石墨烯等，其中石墨烯材料备受关注[11]。石墨烯不仅具有纳米材料的特性，且硬度、抗拉强度、弹性模量、热导率和电导率都极高、光学透明度好。正是由于如此独特的优良性能，石墨烯被广泛应用在光电、能源、材料复合、传感器等领域。目前，制备石墨烯的方法包含传统的机械剥离法和氧化还原法，新式方法包含化学气相沉积法、外延生长法、激光诱导制备法。

由于激光具有密度大、可操作性强、污染小等优点，激光诱导石墨烯的制备得到了长足的发展。激光诱导石墨烯的制备通常分为基体表面析出法、脉冲激光沉积法、液相激光辅助法。其中，液相激光辅助法制备过程对环境要求很低且效率较高，利用激光持续辐照冲击液体中的靶材约2 h得到灰色溶液，在经过离心处理后得到石墨烯悬浮液。该制备方式是利用激光诱导空化使液体局部产生很高的压强，在高温高压环境下使碳原子重组变为石墨烯。目前，通过激光诱导空化方式已经成功制备并分离出石墨烯，但该方式依然存在制备效率方面的问题，加快完善激光诱导制备石墨烯技术并推进此工艺产业化仍然需要不断探索以完备相关参数。

2.4 激光诱导空化技术在有机废水处理领域的应用

随着工业的发展，工业污水的排放已成为生态环境恶化的重要因素，水污染的治理迫在眉睫，废水处理技术也一直在更新换代，目前大部分技术已经可以处理成分较简单且浓度较低的无机废水，而在排放量更多、危害更大的有机废水处理方面依然缺乏高效、环保、经济可行的方案。目前，常见的有机废水处理方式有物理技术法、化学技术法、生物学技术法[12]。上述传统方法都存在一定的局限性，如物理法降解不完全、化学法极易造成二次污染、生物学技术法适用条件有限等缺点。近年来，以羟自由基的高级氧化技术进入人们的视线并迅速掀起研究热潮。研究发现，羟自由基氧化处理污水技术具有氧化能力强、工艺灵活、无二次污染、可控性强、降解充分、应用范围广泛等优点。

而激光诱导空化技术作为一种能够产生羟基自由基的先进废水处理技术得到广泛研究。在激光诱导空化过程中，在空泡溃灭的微秒级时间中，高温高压的环境导致水分子化学键的断裂与自由基的生成，水分子分解形成·H 和·OH 自由基，而自由基又进一步生成双氧水氧化物，强氧化性的自由基和氧化物质能够发生化学反应，从而使有机污染物降解。目前，已有很多学者利用激光诱导空化技术对有机废水进行了降解实验研究，并证明了此项技术的有效性。激光诱导空化羟自由基氧化技术有望广泛应用在有机污水处理上，为有机污水处理提供一种重要手段和途径。

2.5 激光诱导空化技术在生物医疗领域的应用

随着激光技术的迅速发展，激光技术作为一种高科技的治疗方式将医疗手段推到一个更加精细、前沿的高度。激光在医疗方面的应用包含诊断与检测、治疗这两种方式[13]。利用激光照射活体细胞能够有效检测出细胞光谱并做出及时诊断，而激光治疗又分为手术和非手术治疗、皮肤治疗等。

激光手术治疗是指利用功率密度较高的激光束作用于病变组织上，对生物组织进行消融、切割等各种方式的手术。激光手术治疗方式在外科治疗领域得到了广泛应用，相比传统外科手术方式，激光由于其能量高、可控性强等独特优势可实现手术创口小、效率高、定位精准等，能够极大限度地缓解手术后产生的不良影响，使手术效益实现最大化。但由于激光能量较高，方向性强，因此在激光束聚焦作用区域，不可避免地使热影响区域组织发生碳化等不可逆的伤害。为了解决此问题，可采取两种途径，一种是减小激光作用区域热效应，另一种是提高激光作用效率，减少消融时间，减缓不良影响。而有医学实验表明：在激光作用于骨介质的区域，若有液体介质作为激光作用的中间层，则可明显缓解激光作用于骨质区域的热损伤，此研究表明在液体介质中，激光、介质及作用靶材之间的作用机理对激光治疗有非常重要的影响，有望成为进一步提高激光手术治疗领域精度的重要手段。为了进一步探究出液体介质在激光手术过程中的作用，将高速摄影技术应用到手术中以实现其作用过程可视化，有学者研究了脉冲激光通过光纤作用于消融组织的效果，并以高速摄影技术将其记录。在实验过程中，激光首先作用于光纤与目标生物组织之间的液体环境下产生空泡，而空泡的动力学是影响脉冲激光与目标生物组织相互作用的重要因素，研究发现，在临床过程中合理选择激光能量和入射光纤参数可以大大减轻手术的负面效应[14]。此外,在激光与物质相互作用时，作用靶材表面水层不仅能够提高去除效率，还可显著提高作用靶材表面的平整度，极大限度地保护手术作用区域并减少器官损害等不良影响。因此，在激光治疗中关注空化空泡的效应能够最大限度地提高医疗的效率和精准性。激光诱导空化技术的不断成熟和完善将在医疗领域发挥其独特的作用，推动医疗往更精细、更前端的方向发展。

3 结语

综上所述，激光诱导空化技术凭借其自身独特的优势在多个行业和研究领域都掀起了研究的热潮。目前，该技术的应用大部分仍然停留在科学研究的范畴，但各项研究成果已经展现出该技术的巨大潜力，因此在验证激光诱导空化的技术可行性的基础上，如何突破该技术的局限性广泛应用于各领域并且获得较好的经济效益将是下一步研究的重中之重。相关领域的研究人员应该密切关注国际相关技术发展动态，加强对外的学术交流，洞悉行业发展动态，进一步提升和拓宽该技术的应用范围和领域，为激光诱导空化技术的工业化步伐做出更大贡献，推动行业健康发展。