顿磊：激光除锈的物理模型

激光除锈技术凭借无接触、无损伤、环保高效等优势，已广泛应用于工业制造、文物修复、航空航天等多个领域。这一技术的精准落地，离不开背后各类物理模型的支撑 —— 它们如同 “隐形工程师”，通过模拟激光与物质的相互作用规律，为实际清洗工艺提供科学指导。从简单的一维热传导分析到复杂的多层界面模型，激光除锈物理模型的发展始终围绕 “精准控制、减少损伤、贴近实际” 三大核心目标不断迭代。

一、基础模型：从一维分析到双层互动

激光除锈物理模型的发展始于对核心物理现象的简化分析，早期模型虽结构简单，但为后续研究奠定了理论基础。

2007 年，南开大学宋峰团队提出的一维热传导模型，是激光除漆领域的经典基础模型。该模型将纳秒级短脉冲激光除漆过程简化为一维热传导问题，通过计算热膨胀产生的热应力与漆层黏附力的平衡关系，明确了激光除锈的阈值条件。这一模型的核心价值在于实现了 “精准选参”—— 既能保证漆层有效去除，又能避免基底受损，为工业除漆提供了直接的理论依据。

在此基础上，2008 年田彬等人针对干式激光除锈的理论缺陷，提出双层热弹性振动模型。与一维模型相比，该模型的关键突破在于考虑了污物与基底的热弹性振动相互作用，通过解析温度和位移的时空分布，精准计算清洗阈值与损伤阈值。为了简化计算，模型做出了四点合理假设：激光为均匀光束、仅考虑 Z 方向一维热传导、污物与基底绝热、材料各向同性。这种 “简化 + 聚焦核心互动” 的思路，让模型既能模拟振动效应，又具备实际计算可行性，成为干式激光除锈的重要理论工具。

二、进阶模型：多层结构与时空特性的精准还原

随着激光除锈应用场景的复杂化，简单模型难以覆盖多层覆层、非均匀光束等实际情况，更贴近现实的进阶模型应运而生。

南开大学施曙东团队提出的三层吸收界面的烧蚀振动模型，解决了传统模型 “结构简化脱离实际” 的问题。其核心创新体现在三个方面：一是引入 “界面层”，考虑清洗层、基底层与中间界面的热致应变相互作用，让层间关系更符合实际；二是还原激光脉冲的时空分布，适配高斯光束等实际光源，真实反映激光特性对清洗结果的影响；三是适用范围广，无材料参数限制，可用于大面积薄膜覆层场景，实用性极强。这一模型的出现，让激光除锈的模拟从 “理想状态” 走向 “实际场景”，为复杂覆层清洗提供了精准指导。

三、专项模型：聚焦不同物理机制的细分探索

除了通用模型，科研人员还针对激光除锈的特定物理机制（如烧蚀汽化、应力作用、热力耦合等），开发了各类专项模型，覆盖不同应用需求。

1. 温度与烧蚀模型：聚焦热效应的精准控制

这类模型以激光诱有道的热效应为核心，重点解决 “材料精准去除” 问题。2006 年，法国原子能委员会 Francois Brygo 等人建立的高重频脉冲激光除锈模型，通过分析激光重复频率、脉冲宽度与材料烧蚀汽化的关系，实现了材料的精确去除，有效避免基材损伤。2012 年四川大学鲜辉团队则基于电磁场理论，建模激光在油漆中的传输过程，明确了不同能量密度下的表面温度分布，为油漆清洗的参数优化提供了依据。此外，研究还发现激光波长、脉宽对烧蚀机制影响显著 —— 如碳纤维增强塑料（CFRP）在 355nm 和 1064nm 激光照射下，会呈现不同的烧蚀效果。

2. 力模型：以应力作用为核心的颗粒去除

针对微小颗粒的清洗，力模型重点分析激光诱有道的应力与颗粒黏附力的平衡关系。1997 年，新加坡国立大学 Lu 等人基于范德瓦耳斯力和热扩散理论，建立了计算最佳清洗工艺与脉冲数阈值的模型；2005 年 Hsin-Tsun Hsu 等人提出的表面应力波模型，证实了激光功率密度的提高可增强表面应力波加速度，助力颗粒去除；江海丽团队的激光等离子体冲击波模型，则考虑了冲击波与颗粒相互作用中的弹性能，通过优化激光能量和传播距离，实现了微观尺度的大面积清洁。这些模型为精密器件表面的颗粒清洗提供了科学支撑。

3. 热力模型：耦合热效应与力学作用

热力模型综合考虑热传导与应力变化，更全面地模拟激光除锈过程。Lee 等人通过 Nd:YAG 激光器的实验与理论分析，发现较短激光波长能提升能量吸收效率，产生更大热弹性力，为波长选择提供了依据；Lu 等人的模型则同时纳入黏着力（范德瓦耳斯力）与清洁力（热膨胀力），通过石英衬底去铝颗粒的实验验证了模型的准确性，实现了清洗条件与阈值的精准预测。

4. 有限元模型：借助软件实现复杂过程可视化

随着计算机技术的发展，有限元模型成为激光除锈模拟的重要工具，尤其适用于复杂材料（如复合材料）的清洗分析。李雅娣团队利用 ANSYS 软件，建立了复合材料动边界退移烧蚀模型，实现了烧蚀与热传导耦合计算；高辽远等人通过 COMSOL Multiphysics 软件，构建了纳秒脉冲激光除锈铝合金漆层的有限元模型，可视化呈现温度场、位移场的动态变化，并明确了扫描速度、光斑搭接率等参数对清洗质量的影响规律。这类模型的优势在于 “低成本、高效率”—— 通过仿真探索参数影响，再结合实验验证，大幅降低了工艺优化的成本。

四、模型发展的核心趋势：从简化到精准，从单一到综合

回顾激光除锈物理模型的发展历程，不难发现其核心趋势是 “贴近实际、多维耦合、广泛适用”。早期模型通过简化假设搭建基础框架，解决了 “能否清洗” 的问题；进阶模型引入多层结构、时空分布等实际因素，解决了 “如何精准清洗” 的问题；专项模型与有限元模型则针对不同场景，实现了 “个性化优化”。这些模型的迭代，不仅推动了激光除锈技术的工艺升级，更拓展了其应用边界 —— 从简单除漆到精密器件清洗，从金属材料到复合材料，激光除锈的精准性与适用性不断提升。

对于行业应用而言，物理模型的价值在于 “用理论指导实践”—— 通过模拟计算提前优化参数，减少实验试错成本，同时避免基材损伤，提升清洗效率与质量。未来，随着激光技术的发展（如超短脉冲激光、高功率激光的应用），物理模型将进一步纳入更多复杂因素（如材料非线性特性、多场耦合效应），持续为激光除锈技术的创新提供科学支撑。