CC BY
13
УДК 621.039.332: 66.081.6; 666.3.046.4; 66-933.6 Попека ВВ., Аверина Ю.М.
АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ (LBM) КЕРАМИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ ДЛЯ ЕЕ МОДИФИКАЦИИ ПО МОДЕЛИ КАССИ-БАКСТЕРА
Попека Владимир Владимирович, студент 2-го курса магистратуры факультета инженерной химии e-mail: popeka.vladimir@gmail.com
Аверина Юлия Михайловна, кан. тех. наук, доцент кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии, председатель Совета молодых учёных,
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, 125190, Москва, Миусская пл., 9
Создание гидрофобного паттерна в соответствии с моделью Касси-Бакстера может быть осуществлено не только распределением керамических частиц заданного размера на поверхности мембраны, но и с помощью удаления верхних слоёв керамики методом LBM
Ключевые слова: керамические мембраны, мембранная дистилляция, гидрофобная поверхность, лазерная обработка
ANALYSIS OF USING LASER BEAM MACHINING (LBM) TREATMENT CERAMIC SURFACE FOR ITS MODIFICATION ACCORDING TO THE CASSI-BAXTER MODEL
Popeka V.V., Averina Yu.M.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Creating a hydrophobic pattern in accordance with the Cassie-Baxter model can be accomplished not only by the distribution of ceramic particles of a given size on the membrane surface, but also by removing the upper ceramic layers using the LBM method
Keywords: ceramic membranes, membrane distillation, hydrophobic surface, laser beam machining
Новые и нестандартные решения в области промышленности и технологии требуют создания все новых методов обработки материалов. Обычно их называют усовершенствованными методами обработки материалов (advanced machining processes/AMPs). В эту категорию входят электроразрядная обработка, процессы лучевой обработки (лазерно-лучевая обработка, электроннолучевая обработка, ионно-лучевая обработка и плазменная обработка), ультразвуковая обработка и т.д. LBM или лазерная обработка сегодня широко используется для таких задач как: сверление, резка материала. термообработка, сварка, спекание. Для задачи гидрофобизации керамической поверхности по модели Касси-Бакстера больше всего подходит сверление и резка керамической поверхности.
LBM это тепловой процесс и его эффективность зависит в первую очередь от тепловых и оптических свойств обрабатываемого материала. Механическое свойства, такие как твёрдость или хрупкость, играют значительно меньшую роль благодаря природе механизма удаления материала при лазерной обработке. Облучение не создаёт микротрещин в хрупком материале и не вызывает вибрации в обрабатываемой детали. [1] Существует два типа лазерного сверления: трепановое и ударное сверление. Трепановое сверление включает в себя обработку по окружности создаваемого отверстия, тогда как ударное сверление «пробивает» непосредственно через материал заготовки без относительного движения лазера или заготовки. (Рис. 1)
Данные преимущества лучевой обработки керамической поверхности позволяет создать на
поверхности паттерн с заданными свойствами без риска произвести внутренние повреждения образца или создать «отвал» по краям обрабатываемой области. В сравнении с электрогидродинамическим нанесением керамической суспензии по модели Касси-Бакстера на керамическую поверхность метод лазерной обработки является более «компактным» в силу меньшего числа технологических ступеней, менее требовательным к объёму сопутствующих материалов и оборудования. Если напыленная суспензия уязвима к механическому воздействию и должна быть закреплена на поверхности посредством термического воздействия, то прорезанные в керамическом слое «канавки» не требуют иных мер по обработке. Однако расход энергии как на напыление и последующую обработку паттерна, так и на лазерное сверление/бурение керамической поверхности сложно сравнить без проведения лабораторных испытания по каждому методу. Так же это касается временных затрат каждого из процессов. Кроме того существует теоретическая проблема с уменьшением пористости керамической поверхности после высокотемпературного плавления и испарения материала при лучевой обработке. Как показано на рис. 1 (а) воздействие когерентного и усиленного пучка электромагнитного излучения приводит к плавлению и испарению материала, но в условиях высокой пористости подложки это может привести к уменьшению пористости в непосредственной близи от области сверления.
Рис. 1 Схемы ударного (а) и трепанового (Ь) лазерного сверления [2]
Преодолеть последнюю проблему, или хотя бы уменьшить ее, можно при использовании гибридных методов обработки. Эти процессы разработаны, чтобы использовать потенциальные преимущества и ограничить недостатки, связанные с отдельным составляющим процессом. Обычно
производительность процесса гибридной обработки лучше, чем сумма их производительности при одинаковых настройках параметров. В данном случае существует пример комбинации лазерной и ультразвуковой обработки. Основная идея такой комбинации заключается в воздействии на расплавленный после воздействия лазера материал.
Из-за существования температурного градиента в расплавленной зоне, возникает разница в поверхностном натяжении между различными элементами в расплавленной области. Это вместе с эффектом давления отдачи приведёт к тому, что расплавленный материал у поверхности будет течь от центра к краям отверстия и в конечном итоге будет вытеснен из зоны воздействия лазера [3].
Именно поведение материала при лазерной обработке керамической мембраны может привести к снижению пористости обрабатываемой поверхности и к возможным дефектам в конечном паттерне. Но, согласно исследованиям по воздействию ультразвука на обрабатываемый лазером образец [4] можно достичь большей глубины бурения, прогнозирования профиля поверхности, уменьшения числа повторно отлитых слоёв и т.д. Комбинация данных процессов может решить основные проблемы лазерной обработки керамической поверхности для придания ей гидрофобных свойств.
Данный метод так же может быть скомбинирован с использованием 5 axis-систем для обработки разных сторон керамической мембраны и для автоматизации процесса.
Выводы:
1. Для гидрофобизации керамической поверхности по модели Касси-Бакстера возможно применение технологии LBM
2. Лазерное сверление не несёт обычных для механической обработки керамики проблем - повреждения образца вибрацией, образованием отвалов и быстрым стиранием инструмента
3. LBM может быть дополнено другими процесса обработки для нивелирования своих недостатков
4. Данный метод способен конкурировать с электродинамическим нанесением керамической суспензии
Список литературы
1. D.T. Pham, S.S. Dimov, P.T. Petkov, Laser milling of ceramic components, International Journal of Machine Tools and Manu- facture 47 (2007)618-626.
2. K.P. Rajurkar, G. Levy, A. Malshe, M.M. Sundaram, J. McGeough, X. Hu, R. Resnick, A. DeSilva, Micro and nano machining by electro-physical and chemical processes, Annals of CIRP 55 (2)(2006) 643-666.
3. Smurov, I., Aksenov, L., 1993, Melt Removal in Pulsed Laser Action of Millisecond Range, ICALEO. 242-249
4. T.M. Yue, T.W. Chan, H.C. Man, W.S. Lau, Analysis of ultrasonic- aided laser drilling using finite element method, Annals of CIRP 45 (1) (1996) 169-172.
Рис. 2 Образец быстрорежущей стали после лазерного сверления. Без использования вибрации (слева), с использованием вибрации (справа) [4]
