干式激光清洗技术应用与机理 [page::2][page::3][page::4][page::5][page::6]

• 激光清洗通过热膨胀、烧蚀和振动剥离去除氧化层、涂层、有机物、颗粒与锈斑，且工艺参数如能量密度、扫描速度、光斑重叠率显著影响清洗质效。

- 不同材料与污染物需调整激光参数以优化清洗效果，激光清洗可在一定程度提升基材性能，如硬度与耐腐蚀性，但激光清洗可能损伤基材表面，需关注损伤阈值及稳定性。

• 激光去除涂层机理包括烧蚀、热膨胀及等离子体冲击，与机械打磨相比表面更细腻且耐腐蚀性更佳；除锈机理以孔洞爆破及烧蚀蒸发为主，分步除锈策略提升效率。

- 干式激光清洗适用范围广泛且效率高，是多种污染物去除的重要技术，但存在损伤风险和工艺稳定性问题。

等离子体清洗技术特点与应用 [page::6][page::7][page::8]

• 低压等离子体清洗在真空环境下实现物理溅射与化学反应去除有机与碳污染，工作气体种类显著影响清洗效率及机理；但存在残留碳膜及交叉污染问题，适用于精密清洗。

- 常压等离子体无需真空限制，适用于大尺寸工件，有机污染物清洗效力适中，清洗速度和距离为关键参数，且可结合磁场提升效率。

• 等离子体清洗无溶剂污染，适合轻微有机物清洁，但难以清除硬化无机物和深层油脂，适合作为溶剂清洗补充。

二氧化碳清洗技术及其他干式清洗技术 [page::8][page::9][page::10]

• 干冰颗粒清洗利用冲击作用去除锈斑和涂层，但易堵塞喷嘴，喷嘴设计及参数优化是关键；干冰微粒清洗力较弱但对基材损伤小，适用于纳米级污染物，机理包含机械撞击及有机物溶解。

- 超临界CO2清洗有优异溶解有机物能力，适合微小复杂零件，但受限于压力和尺寸，常配合超声提升效率。

• 其他干式清洗如高速气流冲洗、超声干式清洗及机械打磨清洗也被应用，机械打磨损伤较大但具特定场景优势。

湿式清洗技术发展现状 [page::11][page::12]

• 超声清洗基于液体空化效应，易实现复杂形貌清洗，参数如频率、功率和清洗时间显著影响效果与基材损伤。

- 高压液相射流清洗通过射流冲击去除涂层和锈斑，喷嘴设计和清洗参数对清洗效率及基材损伤影响大。

• 液相辅助激光清洗在液膜作用下通过爆炸蒸发及冲击波有效清除亚微米污染物，兼顾去污效力与基材保护。

清洁度评价方法体系 [page::14][page::16][page::17][page::18]

• 定性方法涵盖目测、擦拭、水滴接触角、图像处理及表面形貌与元素分析(XPS、EDS)，各有优缺点，适合不同污染物类型及测量需求。

- 定量方法包括称重法、颗粒尺寸与数量统计法及荧光发光法，后者因快速准确而广泛应用于有机污染物定量评估。

• 新兴激光诱导击穿光谱结合算法及成体系评价促进清洁度定量研究，未来趋势为多方法结合提升评价全面性与准确性。

清洗技术与清洁度评价发展展望 [page::18]

• 推动高效复合清洗及绿色清洗，集成干湿清洗优势提升清洗质量和效率。

- 重视基材初始清洁度和主动清洗技术，减少污染源头负担。

• 发展面向超大尺度基材的清洗技术与智能清洁设备，满足重大工程需求。

- 多样化丰富清洁度评价方法，建立针对具体工艺与性能需求的评价体系，强化清洗工艺反馈优化与质量控制。

金属基材清洗技术及清洁度评价方法研究报告深度分析

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1 元数据与概览

1.1 报告基本信息

• 题目：《面向金属基材的清洗技术及清洁度评价方法研究新进展》

- 作者：赵勇 等人

• 机构：大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室、大连理工大学宁波研究院、大连理工大学材料科学与工程学院

- 发表时间：近期（未明确具体年份，但引用文献截止2022年）

• 主题：金属基材表面的清洗技术与清洁度评价方法

- 关键词：清洗技术、清洁度评价方法、清洗机理、金属基材

1.2 核心论点与报告目标

• 报告系统综述了面向金属基材的干式与湿式清洗技术，探讨其原理、研究进展及应用案例。

- 分析了清洁度的定性与定量评价方法，并明确了各类方法的优缺点及适用范围。

• 指出未来研究趋势主要集中于高效复合清洗工艺、绿色环保清洗、清洁度评价多样化及高自动化清洗设备开发。

- 强调基材初始清洁度的重要性和基材主动清洗技术的发展价值，展望面向超大尺度金属基材的清洗技术需求。

• 最终目标在于为制造业相关领域清洗技术及评价方法的深化研究提供全面理论支持和实践参考。

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2 逐节深度解读

2.1 引言前言（Section 0）

• 论点总结：

- 高新制造业发展推动了金属连接、涂覆及再制造技术需求，要求更高的表面清洁度。
- 基材表面污染物（油污、氧化层、锈斑等）会严重影响后续性能。
- 清洗和清洁度评价是提升金属基材质量的关键，优化清洗参数促进工艺进步。
- 现有综述多聚焦单一技术或特定污染物，缺乏针对金属基材和综合评价的深入研究。
- 本文创新性地系统性综述了面向金属基材的清洗技术和清洁度评价方法。

• 逻辑与证据：

- 引用多篇文献展示清洗技术（激光、二氧化碳、超声等）和评价方法的研究现状及不足。
- 归纳不同分类综述特点，强调了综合视角缺失的不足。
- 图1清晰分类了清洗技术和清洁度评价方法，为全文结构铺垫。

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2.2 清洗技术详细分析（Section 1）

2.2.1 干式清洗技术（Section 1.1）

• 包括干式激光、等离子体、二氧化碳清洗、高速气流冲洗、超声干式及机械打磨。

干式激光清洗技术（Section 1.1.1）

• 关键论点：

- 激光清洗采用高能激光束通过振动、气化、热膨胀、烧蚀移除污染物。
- 三大核心去除对象：氧化层、涂层、有机物、颗粒污染物及锈斑。
- 几乎涵盖所有金属基材常见污染类型。

• 氧化层去除：

- 激光功率密度、扫描速度、光斑形状是最优参数决定因素。
- 图2表明激光能量密度约为3.98 J/cm²，扫描速度5 mm/s时钛合金氧含量最低，有最佳清洁效果。
- 机理包含振动剥离和烧蚀作用，图3示意了气化、爆炸及等离子体对去除的辅助作用。
- 影响参数包括脉宽、脉冲频率、激光能量密度等。
- 激光清洗还会对基材表面产生硬化层、微结构变化，可能提升力学性能及耐腐蚀性，但需严格控制避免损伤。
- 不同金属（例如不锈钢、铝合金、钛合金）之间也有差异，需调整清洗参数。
- 未来研究需关注工艺稳定性、设备性能稳定及损伤预估。

• 涂层去除：

- 机理主要有烧蚀、热膨胀、等离子体冲击。
- 激光入射角对去除效率有显著影响，约70度入射角最佳（图4示意激光清洗热消融机理）。
- 激光清洗比机械打磨表面损伤小，提升了耐腐蚀性能（图5表面粗糙度对比）。
- 激光清洗速度明显优于传统手工和喷砂。

• 有机物去除：

- 机理包括烧蚀汽化、流体动力分离及油膜爆炸汽化机制。
- 清洗参数如能量密度、扫描频率等直接影响去除效率（图6展示油污去除过程）。
- 存在再污染风险，需后续配套清洗方法配合。

• 颗粒物去除：

- 研究少，清除机理主要为振动、热膨胀、部分熔化，如图7显示金颗粒激光熔化过程。
- 颗粒形状和材质影响清洗效率。
- 清洗效率及彻底性偏低，颗粒二次污染问题需重视。

• 锈斑去除：

- 双阶段清洗法（爆破和烧蚀）有效去除锈层。
- 清洗参数如激光能量密度、光斑搭接率等影响清洗质量与基材粗糙度（图8）。
- 清洗功率大时可提升耐腐蚀性。
- 对厚锈斑清除有限，推荐先行物理/化学预处理。

• 总结评价：

- 干式激光清洗适用面广、高效但存在基材损伤风险。
- 多数研究以纳秒激光为主，推荐探索飞秒/皮秒激光。
- 需研发集成化、智能化清洗系统。

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等离子体清洗技术（Section 1.1.2）

• 分低压和常压两种：
• 低压等离子体：

- 反应机理是物理溅射与化学蚀刻的协同。
- 常用气体有 $\mathrm{H}2$、$\mathrm{Ar}$和$\mathrm{O}2$，其中活泼气体诱发化学反应机制，不活泼气体主溅射。
- 有效去除有机污染物和颗粒。
- 存在形成残余碳膜、交叉污染风险，且清洗力较弱。
- 适合精密清洗但被真空腔限制尺寸。

• 常压等离子体：

- 无需真空限制，适合大尺寸件，应用于金属表面和半导体清洗。
- 清洗效果受清洗距离、速度、时间及气体成分影响。
- 效率弱，主要用于去除微米、纳米级有机污染。
- 未来研究应加强与其他技术结合和提高清洗效力。

• 优缺点：

- 绿色环保，无污染。
- 清洗范围有限，难去除重污垢。
- 适合精细、无溶剂清洗。

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二氧化碳清洗技术（Section 1.1.3）

• 分为：

- 干冰颗粒清洗（颗粒尺寸较大，$1 \sim 15\mathrm{mm}$）
- 干冰微粒清洗（尘埃级，$0.5 \sim 100\upmu m$）
- 超临界 $\mathrm{CO}2$ 清洗（在临界压力和温度以上）

• 干冰颗粒清洗：

- 利用颗粒冲击、磨削及“微型爆炸”去除锈斑和松散污染物。
- 喷嘴类型（如文丘里、直筒）对喷射效果影响大。
- 存在干冰颗粒管道堵塞问题，需优化设备设计。
- 对基材有一定损伤，需控制参数。

• 干冰微粒清洗：

- 颗粒微细，清洗效力低但对基材损伤极小。
- 通过动量转移和液膜作用去除纳米颗粒。
- 主要应用于半导体和精密领域，金属应用潜力大。

• 超临界 $\mathrm{CO}2$ 清洗：

- 粘度低、表面张力小，能有效溶解非极性有机物，适合清洗微细复杂结构。
- 设备需承压，工件尺寸有限制。
- 常与超声联用提升效率（图12显示不同温度下去污率随时间变化）。

• 总结：

- 干冰清洗环保且应用广泛，颗粒清洗效率高但损伤大，微粒和超临界清洗温和环保但效率较低。
- 未来需解决干冰循环利用及设备集成问题。

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其他干式清洗技术（Section 1.1.4）

• 高速气流冲洗：

- 利用气流冲击剥离颗粒。
- 可简单低成本应用，多为复合清洗工艺环节。

• 超声干式清洗：

- 超声与高速气流结合，产生高频振荡，去除微米级颗粒。
- 无接触损伤，绿色环保。
- 研究多从流体力学角度分析声波激发机理。

• 机械打磨清洗：

- 物理磨除法，效率高但有噪声和粉尘。
- 常用作激光等其他方法对比。

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2.2 湿式清洗技术（Section 1.2）

超声清洗技术（Section 1.2.1）

• 基于液体中的空化效应去除污染。

- 影响因素：清洗液性质、温度、频率、功率、时间等。

• 可能导致表面损伤，需优化（如采用共溶剂）。

- 广泛应用于发动机积碳清洗等领域。

• 受限于清洗槽尺寸，喷头式清洗发展空间大。

高压液相射流清洗（Section 1.2.2）

• 依赖高能射流冲击剥离污染物（涂层、锈斑）。

- 喷嘴设计、射流压力、清洗距离对效果关键。

• 清洗过程分阶段见流体力学机制。

- 可去除磨料残留而不改变表面形貌太多。

• 存在表面损伤风险，需平衡效率与损伤。

液相辅助激光清洗（Section 1.2.3）

• 在基材表面设置液膜，激光激发产生爆炸蒸发或冲击波带走污染物。

- 对去除亚微米颗粒有优势（图13比较干式与液相辅助激光）。

• 机理：液膜快速过热爆炸、冲击波传导。

- 液膜保护基体但可能带来残留和二次反应污染。

• 需优化液膜性质和脱除残液。

其他湿式清洗技术（Section 1.2.4）

• 溶液浸泡和喷淋清洗广泛用但研究较少。

- 化学腐蚀为主要机理，适用于有机污垢和氧化层。

• 强调绿色环保溶剂研发。

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2.3 清洁度评价方法（Section 2）

2.3.1 定性分析方法

• 目测及光学观察：

- 直接肉眼或光学显微镜观察。
- 应用广，操作简便，精准度较低。
- 可快速判断污染物存在与否（图14）。

• 擦拭法：

- 用洁净布料擦拭后观察布面情况。
- 简单直观，精度低。

• 水滴接触角及成分分析：

- 基于污染物改变的表面能，测量水滴接触角。
- 通常结合XPS和红外光谱检测有机污染去除效果（图15）。
- 目前为半定性方法，未来有望定量化。

• 图像处理法：

- 利用摄像机采集并识别基材表面污染区域，计量灰度或面积。
- 适合在线监测（图16），测量面积大但误差较大。

• 表面形貌及成分分析：

- SEM, OM检测表面损伤及污染物形貌。
- EDS与XPS用于元素成分分析，半定量评价表面污染（图17）。
- 常用做激光清洗效果检测。

• 其他定性方法：

- 间接指标：如表面粗糙度变化、焊接气孔率。
- 高级监测技术：激光诱导击穿光谱（LIBS）、声学信号分析，用于动态、实时检测。

2.3.2 定量分析方法

• 称重法：

- 精密称量污染物去除质量或基材质量差异。
- 适合去除明显质量污染物，准确性受仪器限制。

• 颗粒尺寸数量法：

- 统计污染物颗粒尺寸及数量，用于清洁度定量评价（图18）。
- 精度高但费时费力，适合颗粒污染物。
- 结合图像处理提升效率。

• 荧光发光法：

- 紫外线激发下污染物发荧光，利用共焦原理精确检测油污等有机物（图19）。
- 优点在于快速、精确的定量评价，缺点是适用范围有限。
- 已有成熟设备（如SITA清洁度仪）。

• 其他定量方法：

- 如基于图像处理的定量评价、激光诱导击穿光谱定标实现半定量定量。
- 目前研究有限，发展潜力大。

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3 图表深度解读

• 图1：清洗技术与清洁度评价方法分类图

非常清晰地划分了干式与湿式清洗技术，以及定性与定量评价方法，为全报告架构提供直观梳理。

• 图2：激光能量密度和扫描速度对氧化层氧含量的影响

展示功率密度3.98 J/cm²和5 mm/s扫描速度下氧含量最低，说明基于此参数组合可优化去氧效果。

• 图3：激光除氧化层示意图

表明激光激发导致气化、爆炸及等离子体效应结合实现去除。

• 图4：激光清洗热消融机理示意

四部分详解激光加热、热传导、压力梯度和等离子体对涂层去除共同作用机理。

• 图5：激光清洗与机械打磨后表面粗糙度对比

激光清洗表面更细腻，减少划痕和表面损伤。

• 图6：不同能量密度激光清洗下油污去除影像

直观显示激光能量密度为关键变量，反应不同清洁阶段。

• 图7：金颗粒激光熔化过程

从初态、中间态到最终态颗粒形态变化，验证了激光清洗颗粒物的热熔机理。

• 图8：光斑搭接率对清洗基材表面粗糙度影响

粗糙度曲线显示最佳光斑搭接率70%附近，便于过程参数控制。

• 图9：低压等离子体清洗前后表面形貌及元素分布

具体展示碳元素和氧元素显著减少，验证清洗效果。

• 图10：常压等离子体清洗系统结构示意

展示实际设备构造及气体流路，便于理解操作流程。

• 图11：干冰微粒清洗污染物去除机理示意

结合机械撞击与液膜作用解释干冰微粒清洗的有效性。

• 图12：超临界CO₂清洗不同温度下去污率

体现温度及时间对去污效果的正向促进作用。

• 图13：不同激光清洗方法高速摄像照片对比

液相辅助激光清洗体现更强冲击和清洗能力。

• 图14：光学显微图像对比微球污染物清除

清洗前后微球去除明显，定性验证清洗效果。

• 图15：水滴接触角清洗前后变化

接触角下降表征表面亲水性增强，间接反映清洁度提升。

• 图16：图像处理法示意图

示出激光清洗后通过CCD相机采集数据实现在线清洁度监控。

• 图17：XPS分析示意

细致展示关键元素（Nb、C）清洗前后峰值变化。

• 图18：颗粒尺寸数量法应用图

颗粒计数对比体现清洗前后表面颗粒覆盖差异。

• 图19：荧光发光法清洁度值对比柱状图

清洗后的清洁度（RFU值）明显下降，形成定量标准。

[page::2-19]

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4 估值分析

本报告为综述性质，未涉及财务估值或定价模型，因此无估值分析内容。

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5 风险因素评估

• 干式激光清洗：基材损伤风险，工艺及设备稳定性不足，激光器性能波动。

- 等离子体清洗：可能形成残余碳膜、交叉污染，清洗效力受限，损伤表面。

• 干冰清洗：颗粒管道堵塞，清洗损伤待控制，成本方面循环利用技术需突破。

- 湿式清洗：化学清洗剂环境污染及健康影响，残留液体对下游工艺干扰。

• 清洁度评价方法：测量误差大，部分方法定性居多，定量评价体系缺乏统一标准。

报告指出针对这些风险需研发更完善的设备参数控制机制、优化清洗流程、建立清洁度评价规范体系，推动绿色环保材料应用与技术集成。

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6 批判性视角与细微差别

• 报告全面系统，但多依赖定性研究或单项定量指标，缺少跨技术间的横向比较和评价体系。

- 部分清洗技术存在定义模糊（如干冰清洗虽然定义为干式，但存在水珠凝结）。

• 激光清洗虽研究较充实，但对高端光源（飞秒、皮秒）的应用探讨不足。

- 清洁度评价领域缺少统一标准，定量方法易受设备和操作影响，缺少行业内权威映射关系。

• 缺乏对经济成本、工艺时间及生产效率对比的深入讨论。

- 缺少实际工程大尺度应用的详细案例及设备设计分析。

• 由于综述性质，其技术评估多基于前人实验研究，内部潜在矛盾不明显，但需关注样本与参数差异导致的研究结果多样性。

[page::1-3,14,16]

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7 结论性综合

本文以系统综述形式全面梳理了面向金属基材的清洗技术及清洁度评价方法，涵盖干式与湿式清洗技术的主流类型和细分工艺，详细解析了各种技术的原理、优势、关键参数、应用案例和存在的挑战。

• 干式清洗侧重激光清洗（适用氧化层、涂层、有机物、颗粒、锈斑）、等离子体技术（二分为低压与常压，适合精细有机污染物去除）和二氧化碳清洗（颗粒至超临界多尺度），优势为无液体残留、环保但部分技术效率较低或损伤风险需防控。
• 湿式清洗重点在超声清洗技术（利用空化效应）、高压液相射流清洗（高冲击去除）、液相辅助激光清洗（液膜爆炸/冲击），以及化学浸泡和喷淋，优势在强效清洁力，缺陷为二次污染和液体残留。
• 清洁度定性定量评价方法多样，涵盖目测、擦拭、接触角、图像处理、表面形貌和元素分析、称重、颗粒计数、荧光发光等，定性方法操作简单但精度有限，定量方法精确但实现成本和效率较高。未来需构建涵盖多维度、多尺度的清洁度评价体系。
• 图表数据洞见契合文字解析，系统展示关键参数阈值、机理模型及实验对比，直观支撑技术应用及机理探讨。
• 未来发展方向聚焦于高效复合清洗工艺与绿色清洗介质的开发、基材主动清洁技术、超大尺度金属清洗设备、新型清洁度评价体系的科学建立，重视自动化、智能化、设备集成与工业应用转化。

整体来看，报告为制造业金属基材表面清洗与质量控制提供了极具参考价值和指导意义的技术体系框架，抓住核心技术细节和评价科学，为后续技术创新和工程实践奠定基础。

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综述报告结构总览

| 章节 | 主要内容 | 关键点 |
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| 1 引言 | 研究意义，综述现状与不足 | 金属基材清洗及评价研究缺口，报告定位于系统性综述 |
| 2 清洗技术 | 干式与湿式清洗技术详解 | 包含激光、等离子体、二氧化碳、超声、水射流等，结合机理、参数、案例分析 |
| 3 清洁度评价方法 | 定性与定量方法解析 | 目测、擦拭、表面分析、颗粒计数、荧光法等多种评估方式，强调多样性与准确性提升 |
| 4 结论与展望 | 技术现状总结，未来方向展望 | 高效复合技术、绿色清洗、主动清洁、新设备开发及多层次评价体系建设 |

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如需针对某技术、评价方法或数据图进行更细致解读，欢迎提出具体需求。

报告