Разрушение композитных материалов под действием частиц, ускоренных в поле субмиллисекундного импульса er:YAG лазера

РАЗРУШЕНИЕ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЧАСТИЦ, УСКОРЕННЫХ В ПОЛЕ СУБМИЛЛИСЕКУНДНОГО ИМПУЛЬСА ЕЯ:УАС ЛАЗЕРА

А.В. Беликов

В работе представлены результаты теоретической и экспериментальной оценки эффективности удаления эмали и дентина зуба человека потоком частиц сапфира, ускоренных лазерным излучением. Показано, что совместное воздействие лазерного излучения и ускоренных этим излучением частиц, предварительно нанесенных в виде водной суспензии на поверхность обрабатываемого материала, позволяет существенно повысить эффективность удаления последнего по отношению к воздействию только лазерного излучения.

Попытки использовать лазерное излучение для воздействия на различные объекты и материалы стали предприниматься сразу же после изобретения лазера, причем исследователи пытались охватить как можно больший диапазон практических применений [1, 2]. Одним из таких применений была попытка использования лазерного излучения для воздействия на неподвижные и движущиеся объекты конечных размеров с целью изменения траектории их движения или для их ускорения [3]. Предполагалось, что таким образом можно будет управлять траекторией спутников или метеоров, рассеивать облака и производить очистку атмосферы от посторонних включений вдоль распространения лазерного луча.

В общем случае можно считать, что в основе ускорения частиц лазерным излучением лежит принцип, аналогичный принципу ускорения космического корабля или реактивного самолета. Также можно рассматривать и влияние силы светового давления. Наиболее вероятны абляционный и связанный с микровзрывом материала частицы механизмы ускорения твердых частиц лазерным излучением [4].

При рассмотрении абляционного механизма полагаем, что световой поток падает на частицу таким образом, что частица освещается с одной стороны, тогда при превышении порога абляции с освещенной поверхности будет происходить вынос материала. Если абляция происходит в виде испарения материала частицы, то у освещенной поверхности частицы возникает слой насыщенного пара атомов частицы, и на поверхность будет действовать сила, ускоряющая частицу в направлении распространения лазерного излучения. Второй механизм ускорения связан с микровзрывом материала под действием лазерного импульса с образованием осколков. Здесь рассматривается композитный материал, состоящий из твердых частиц с высоким порогом лазерной абляции, помещенных в матрицу. Матрица имеет существенно более низкий порог лазерной абляции, чем материал частицы. Тогда под действием лазерного импульса происходит быстрый нагрев и испарение матрицы с образованием пара, имеющего высокое давление. Градиенты этого давления приводят к ускорению и разлету твердых частиц, которые приобретают при этом высокую скорость. Ускоряющая сила фактически обусловлена неравномерностью давления паров на поверхности частицы. Композитный материал может представлять собой или суспензию твердых частиц, или спрессованный порошок с поглощающими микрочастицами на границе зерен, или твердые частицы, помещенные в поглощающий лазерное излучение легкоплавкий наполнитель, например, полимер, и т. п.

На практике достаточно легко можно встретить порошок из твердых (сапфир, кварц) частиц, каждая из которых покрыта тончайшей (адсорбция из атмосферы) пленкой воды. Такие частицы могут быть ускорены импульсом УЛО:Бг лазера. Ускорение в этом случае происходит за счет абляции пленки воды вследствие чрезвычайно эффективного поглощения лазерного излучения с длиной волны 2.94 мкм последней. Ускоренные таким образом частицы могут быть использованы для разрушения эмали и дентина зуба человека. Рассмотрим баланс энергии при абляционном механизме лазерного

ускорения одиночном частицы и оценим скорость и энергию частиц, ускоренных одиночным лазерным импульсом, достаточные для разрушения эмали зуба человека. Считаем, что твердая частица имеет форму шара, покрытого тонкой пленкой воды, и облучается с одной стороны лазерным излучением. В качестве материала частицы возьмем сапфир, в качестве обрабатываемого материала - эмаль зуба. Положим, что энергия лазерного излучения расходуется только на нагрев обрабатываемого материала Е мат (это

энергия, прошедшая мимо твердых частиц) и на ускорение частиц энергией ДЕ абр до скорости и:

Е лаз = ДЕмат + ДЕабр .

Для разрушения обрабатываемого материала твердой частицей давление, оказываемое этой частицей Рабр, должно превосходить давление, необходимое для его разрушения

Рмат , т е.

Р р > Р .

аир — мат V /

В свою очередь,

Рабр =Ри 2

где р = 3,97 103 кг/м3 - плотность сапфира, и- скорость частицы.

Для разрушения такого твердого материала, как эмаль зуба человека, давление Рабр должно составлять величину порядка 100 атм. [5], откуда находим скорость твердой частицы, достаточную для разрушения эмали и 50м/с. Из (1) получаем, что энергия, расходуемая на взаимодействие с абразивными частицами, Еабр = ДЕлаз - ДЕмат ,

считая, что эта энергия идет на нагрев водяной пленки, окружающей абразивную частицу (Еабр (1)), ускорение частицы (Еабр (2)) и испарение водяной пленки (Еабр (3)), получим:

т абрУ 2 2

где с - удельная теплоемкость водяной пленки, т - масса водяной пленки, табр - масса абразивной частицы, ДТ = Тв^™« - Ткомнатная - перегрев, V - объем испаряемой водяной пленки, Еисп = 2.3*109Дж - удельная энергия испарения водяной пленки. В рамках представленной модели и для частицы сапфира диаметром 10мкм: Еабр = Еабр(1) + Еабр(2) + Еабр(3) = 0.14 * 10-12 + 0.25 * 10-8 + 0.92 * 10-6 & 0.92 * 10-6 Дж

Таким образом, для разрушения эмали зуба человека одной частицей диаметром

10 мкм необходима энергия.& 0.92*10-6Дж, при этом частица должна иметь скорость & 50 м/с, что создает давление на поверхности образца порядка 100 атм. Такое давление больше усилия на разрыв эмали (твердость эмали близка к семи по шкале Мооса). Очевидно, что лазерное излучение с энергией 1 Дж позволяет разогнать около одного миллиона сапфировых частиц диаметром 10мкм до скоростей достаточных для разрушения эмали. Предполагая, что объем удаленного частицей абразива материала эмали пропорционален объему самой частицы, получаем, что эффективность удаления эмали может достичь величины порядка 1 мм3/Дж.

В настоящей работе экспериментально измерялась эффективность удаления эмали и дентина зуба человека при использовании трех различных методик: воздушно-абразивной, лазерной и лазерно-абразивной. Также сравнивались теоретически и экспериментально полученные величины эффективности удаления эмали и дентина вышеперечисленными методами. Мы использовали сапфировые частицы диаметром 12мкм. Эти частицы ускорялись либо воздухом (воздушно-абразивный метод), либо излучением УЛО:Бг лазера (лазерно-абразивный метод). Абразив представлял собой водную

Еабр = Еабр

суспензию сапфировых частиц, нанесенных в виде слоя толщиной 200±50мкм на поверхность эмали или дентина зуба. Плотность энергии лазерного излучения (при лазерном и лазерно-абразивном методах) в режиме свободной генерации составляла величину порядка 100Дж/см2, длительность лазерного импульса - 200±20мкс, частота следования лазерных импульсов - 10Гц. Обработка во всех случаях продолжалась в течение 120с. Затем образец распиливался вдоль оси образовавшегося в материале (эмаль, дентин) кратера. Кратер фотографировался цифровой камерой, фотография переносилась в компьютер, где методом конечных элементов в предположении осевой симметрии рассчитывался объем удаленного материала. Эффективность удаления определялась как объем материала, удаленный при вложении одного джоуля энергии. Результаты теоретических расчетов и экспериментов представлены в таблице 1.

Метод обработки Эффективность удаления, мм /Дж

теория эксперимент

эмаль дентин эмаль дентин

Воздушно-абразивный 0,09 0,13 0,11 0,02

Лазерный (YAG:Er, 2.94мкм) 0,16 0,17

Лазерно-абразивный 0,13 0,17 0,23 0,28

Таблица 1. Эффективность удаления твердых тканей зуба

Из таблицы 1 видно, что лазерно-абразивная обработка позволяет эффективнее удалить твердую ткань зуба, чем лазерная и воздушно-абразивная обработки. Видно, что теоретические и экспериментальные результаты удовлетворительно коррелируют только для случая воздушно-абразивной обработки эмали. По-видимому, для описания процесса разрушения дентина абразивными частицами гипотеза о тождественности объема частицы объему удаленного материала неверна в силу высокой эластичности дентина. Расхождение между теоретическими и экспериментальными результатами для лазерно-абразивной методики, кроме вышеизложенного, может быть объяснено дополнительным деструктивным действием энергии, прошедшей мимо частиц и поглощенной материалом образца (Емат ). В этой связи отметим, что эффективность удаления материалов ускоренными лазером частицами, помимо свойств самого обрабатываемого материала и материала частиц, может определяться также длительностью, длиной волны, плотностью энергии излучения, качеством (пространственно-временное распределение) лазерного излучения, концентрацией абразива в суспензии, диаметром и формой абразивных частиц и т. д.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аскарьян Г. А., Мороз, Е.М. "Давление при испарении вещества в луче радиации", Письма в редакцию ЖЭТФ, №12, 1962, 2319

2. R.W. Weeks W.W. Duley. "Aerosol-particle sizes from light emission during excitation by TEA CO2 laser pulse", journal of Applied Physics, Vol. 45 #10, October 1974, pp. 46614662

3. Аскарьян Г. А., Рабинович М.С, Савченко М.М., Степанов В.К., Студенов В.Б. "Све-тореактивное ускорение макрочастиц вещества", Письма в ЖЭТФ, 5, 258, 1967

4. Altshuler G.B., Belikov A.V., Sinelnik Y.A., "A Laser-Abrasive method for the cutting of enamel and dentin" Lasers in Surgery and Med, 2001, 28, 435-444

5. D.K. Hudson, J.K. Hartley, R. Moore, W. T. Sweeney, A.B. Washington "Factors influencing the cutting characteristics of rotating dental instruments". JADA, 1955;vol.50,pp.373-383.